关注提升,场景落地,技术迭代——2022年脑机接口行业研究报告

前言

脑机接口技术被称作是人脑与外界沟通交流的“信息高速公路”,是公认的新一代人机交互和人机混合智能的关键核心技术,甚至被美国商务部列为出口管制技术。脑机接口技术为恢复感觉和运动功能以及治疗神经疾病提供了希望,同时还将赋予人类“超能力”——用意念即可控制各种智能终端。通过对人类大脑进行“升级”,还会使我们在拥有人类水平或更高智能的AI面前更具竞争力。我国在脑机接口技术方面也已实现了关键性突破,未来将引领我国脑科学和类脑智能研究实现“变道超车”。

基于此,蛋壳研究院撰写了《2022年脑机接口行业研究报告》,并在报告中着重回答以下几个问题:

1、脑机接口行业当前发展的现状如何?

2、脑机接口已经实现那些场景的应用?可期待的应用是什么?

3、当前脑机接口技术面临的挑战是什么?技术突破的进展如何?

为了弄清上述问题,蛋壳研究院在产业内进行了广泛的调研,并结合本身的研究内容,试图从行业概述、应用场景、技术挑战、未来趋势研判等维度全面解析脑机接口行业,以期为行业关注者及参与者提供有价值的行业信息。

(注:获取本报告全文,请扫描文末二维码)

各方关注,行业未来发展可期

1.1 全球各国脑计划风起云涌,美国技术暂时领先

理解大脑的结构与功能是21世纪最具挑战性的前沿科学问题,有着广阔的应用前景。近年来世界多国相继提出基于脑科学、神经科学和信息科学相结合的人类脑计划,抢占全球科技竞争战略高地。

美国作为全球科技创新的领导者,对于脑科学研究较早且投入较大,在脑科学基础研究领域技术暂时领先。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

1.2 中国脑计划底层布局完善,脑机融合列为研究重点

中国脑计划以脑认知的神经基础为主体,以脑疾病的诊治及脑机智能技术为两翼开展底层布局,从认识脑、庇护脑、模拟脑三个方面开展脑科学与类脑研究,形成“一体两翼”的完善战略布局。

国家“十四五”规划安排五项研究重点领域,其中脑机融合纳入重点技术研究范畴;2021年,我国正式启动了百亿级的科技创新2030重大项目“脑科学与类脑研究”,当前中国脑计划研究已进入实际落地阶段。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

1.3 脑机接口:生物技术和信息技术融合的下一个主战场

2018年11月19日,美国商务部工业和安全局”针对关键技术和相关产品的出口管制方案”中,罗列了14类“新兴和基础技术”进行出口管制,其中脑机接口技术位列第11位。

2021年10月26日,美国商务部工业和安全局发布预通知将脑机接口定为对美国国家安全至关重要的潜在新兴和基础技术,需对其适当的出口、再出口和转让(国内)管制。

1.4 脑机接口技术发展当前正处于应用试验阶段

脑机接口技术的发展可以划分学术探索阶段、科学论证阶段和应用实验阶段。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

1.5 行业市场规模大,以非侵入式技术和医疗场景应用为主

2020年全球脑机接口的市场规模达到14.6亿美元,预计到2027年市场规模达36亿美元,年复合增长率约为14%,行业市场规模大,增速快,脑机接口行业未来具有很大发展空间。

2020年,非侵入式脑机接口占脑机接口市场规模的86%。目前,受到脑机接口技术和伦理、安全等因素的制约,无论是各国科研院所还是企业,研究重点都侧重非侵入式脑机接口;当前脑机接口技术主要应用于医疗及健康保健场景,数据显示2020年脑机接口在医疗领域的市场规模占比达62%。

资来源:公开信息,头豹,蛋壳研究院

1.6 国内行业融资事件数迎来爆发,企业多处于融资早期阶段

脑机接口行业融资事件爆发,本钱加速布局。马斯克的Neuralink公司致力于脑机接口技术的研究,近年来发布多项研究成果引发社会广泛关注,使得脑机接口从实验室被推向了公众视野,成为当下投资热点。2021年是国内融资事件近年来最高达18起,2022年上半年仍有9起融资事件,表白投资机构正加速对脑机行业的投资布局。

融资早期轮次的企业占比81%,产业孕育发展中。从国内脑机接口企业融资事件轮次分布看,A轮及以前占比高达81%,企业多处于融资早期阶段,说明整个BCI行业尚处起步期,行业成熟度及商业化程度较低,未来发展潜力大。

资来源:动脉橙数据库,蛋壳研究院

1.7 侵入式技术壁垒较高,国内布局非侵入式技术企业占比大

侵入式技术壁垒较高:侵入式技术通常需要进行开颅手术,将电极植入到大脑皮层采集脑电信号,但也极易引发人体的排异反应;非侵入式设备只需要用电极连接头皮来获取信号,对人体伤害较小,技术难度较低。

国内布局非侵入式技术企业占比大:2015-2022H1年国内脑机接口行业获得融资的企业共37家,其中仅4家企业布局侵入式技术且获得融资,89%企业均采用非侵入技术切入脑机接口赛道。

资来源:公开信息,动脉橙数据库,蛋壳研究院

技术实现患者疾病治疗和健康改善

2.1 脑机接口技术功效多,当前主要应用于医疗健康领域

脑机接口技术的功效可以归结为(监测/替代/改善恢复/增强/补充),对应的应用标的目的主要有医疗健康、娱乐、智能家居、军事和其他,其中医疗健康是当前最主要且最接近商业化的领域。

资来源:公开信息,蛋壳研究院 

● 监测:使用脑机接口系统监测部分人体意识状态

● 替代:系统的输出可以取代由于损伤或疾病而丧失的自然输出

● 改善/恢复:针对康复领域,改善某种疾病的症状或恢复某种功能

● 增强:主要是针对健康人而言,实现机能的提升和扩展

● 补充:主要针对控制领域,增加脑控方式,作为传统单一控制方法的补充,实现多模态控制

2.2 基于神经调控的脑机接口聚焦疾病治疗,已实现商业化

神经调控是脑机接口信号闭环中向大脑写入信号的过程,通过不同类别信号的刺激,可以改善和治疗一些神经系统的疾病状态。当前,基于电、声、光、磁刺激神经调控的脑机接口已经实现商业化,从人工耳蜗,到脑深部电刺激再到经颅磁刺激和近红外功能成像,未来可以期待扩展到其他疾病的改善或治疗。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

2.3 技术改变传统康复手段,可帮手神经受损患者实现主动康复

脑机接口技术能够实时检测患者脑电状态,通过训练调控大脑信号,影响皮质活动,从而使患者熬炼大脑神经,提高其功能性和连接性,实现了患者“意念控制”下的主被动协同康复训练。打破了传统康复方式被动且单一的问题,实现患者意念控制下的主动康复,显著提升康复治疗效果。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

2.4 不同功能的可穿戴产品,已实现部分消费类场景的应用

当前,针对非侵入式脑机接口技术已经开发出各种可穿戴设备,可以实时的监测用户的脑电状态。基于不同的用户需求,已经可以帮手进行日常解压、小孩专注力提升及睡眠障碍人群进行改善,在一些场景已经实现消费端的应用,未来可期待扩展到更多的健康消费场景。

2.5 实现对外部设备的控制,改善肢体运动障碍患者生活质量

非侵入式脑机接口的智能义肢:通过人工智能算法处理神经-肌肉信号并结合内置传感器识别用户意图,实现“心随手动”及走路跑步随意切换的状态,可为残障人士创造高品质生活。

集成式颅顶半植入BCI产品+高频脑电信号处理仪:产品面向明确的适应症如渐冻症,高位截瘫等,脑虎科技将按照医疗产品的合规和流程逐步推进临床计划,未来可期待改善这些绝症患者生活质量。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

关注脑机接口两大技术路径

3.1 侵入式:新一代脑机接口植入体技术正逐步走向成熟

过去的10-20年间,由于相关技术的跃迁带来的价值正在快速鞭策新⼀代脑机接⼝技术的落地。从人工耳蜗到DBS再到RNS,国内植入体技术正在逐步成熟。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

3.2 长期不变的记录大规模信号是侵入式技术的核心挑战

如安在最低限度损伤大脑和最大限度利用大脑之间达到平衡,是脑机接口技术的核心挑战。如何解决植入电极后信号衰减、如何最大限度避免芯片植入对大脑的损伤、如何采集更多的神经元信号是侵入式脑机接口技术目前面临的三大核心技术瓶颈。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

3.3 新材、新植入方式和新制造技术可解决当前技术困境

当前侵入式脑机接口技术面临电极在体工作寿命短、植入创伤大、信息采集带宽不足三大技术困境,针对侵入式脑机接口当前存在的技术挑战,研发三大关键技术可以有效解决。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

3.4 非侵入式:无创脑机电极需兼顾电特性/舒适性/便捷性

无创脑电采集电极挑战:传统的无创脑电采集系统是采用湿电极,其电特性良好,但是使用不便利;梳状干电极使用便利,但界面阻抗较高,使用时有轻微的痛感,舒适性较差;半干电极可保持湿性接触,舒适性和电特性适中,当下自润湿、新型凝胶等半干电极是研究热点。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

3.5 脑电信号的传输率决定了脑机接口系统的性能

脑机接口采用的范式主要有P300(事件相关点位)、SSVEP(稳态视觉诱发电位)和MI(运动想象),实验范式是获得脑机接口特征的一些技术手段,最具挑战性的环节是信息的解码。脑电信号的编解码是系统不变的核心,其中信息传输率是衡量脑机接口系统的一个黄金标准,通过增加脑机接口目标的数量、提高分类的正确率以及缩短目标识别时间,可以提高系统的信息传输率,同时也提高了脑机接口系统的性能。

3.6 设计训练方式识别微弱信号,提升脑机操控交互的自然性

关键技术-精辨识:基于事件相关电位,针对难以识别的微弱信号,通过发现背景脑电空间对称性演进模式,可以对背景脑电噪声增大按捺效果提升,可以实现亚uV级极微弱脑电信号(约0.5uV)的解码和应用,提升脑机操控交互的自然性。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

浅谈脑机接口未来的发展趋势

4.1 信息交互手段从本来的以电为主,转为多模态联合应用

在脑机接口应用领域,由于脑电信号本身的空间分辨率较差,时间分辨率较好的特点,脑机信息交互手段预计将从本来的以电为主,走向电、光、磁、声等各种手段的综合,通过不同交互手段的联用,提升了脑机接口技术应用的效果。

● 近红外脑功能成像技术测量大脑皮层的血氧情况,厘米级的空间分辨率优于脑电,可以准确定位产生脑部活动的脑区。脑电的时间分辨率与近红外脑功能成像的空间分辨率两者结合互补,这样就可以更全面的提供脑功能活动的信息。fNIRS+EEG联用,对脑科学研究提供了很好的技术手段和很大的帮手。

● 运动想象、脑机接口(MI-BCI)和功能性电刺激FES相结合的MI-BCI-FES康复训练已成为中风治疗的热门方法,有关研究表白,MI-BCI-FES比拟传统单一FES对中风康复治疗更为有效。此外,有关试验表白使用脑电(EEG)及近红外(fNIS)同步监测脑功能变化的方法,更加全面的用于评价脑部功能的变化。

4.2 脑机接口技术可成为大数据与算法驱动的智能数字疗法

在脑机接口应用领域,脑机接口技术可实现个性化、精准化、情感化脑功能健康状态监测与干预的大规模人群普惠应用,成为大数据与算法驱动的智能数字疗法。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

4.3 意念控制等下一代人机交互场景,可期待变成现实

当前脑机接口技术的发展已经可以通过解析大脑里的想法来帮手患者“打字”交流。在PC时代,我们通过键盘和鼠标进行人机交互,每次人机交互的变化都是从以机器为中心,逐渐迈向以报答中心的自然交互,未来可以期待实现脑控键盘和鼠标等下一代人机交互的场景。

4.4 微创式脑机接口技术,为患者生活改善打开一扇新窗口

在脑机接口技术领域,由于侵入式脑机接口容易对大脑造成不成逆的损伤,非侵入式获取的脑电信号不佳等现实情况,微创式的脑机接口技术有望为后续的技术发展带来更多可能。

● 清华医学院团队提出了微创植入的脑机接口方案,体内机嵌入在颅骨中采集和处理脑电信号,电极可以伸展到颅内任何脑区;体内机无需电池,隔着皮肤与体外机耦合供电并无线通讯,实现脑电信号读取和刺激信号写入的双向脑机接口通讯。该方案全无线传输,避免感染,不破坏脑内环境,在信号质量和侵入性之间达到很好的平衡。该团队与博睿康科技合作研发的无线微创脑机接口设备已经定型送检,预计2022年底开展小规模临床试验。

● Synchron开发的Strentrode BCI设置小巧灵活,可以安全地穿过弯曲的血管,因此Synchron直接利用神经血管平台,即通过颈静脉植入BCI,使用导管手术将技术输送到大脑和脊柱中,不需要开颅手术就将设备植入了患者大脑内。2021 年 8 月,Synchron 公司开发的微创脑机接口获得美国食品药品监督办理局(FDA)的人体临床试验批,2022年7月,该公司首次在美国一名ALS(肌萎缩性侧索硬化症)患者的脑部血管进行临床试验。

4.5 柔性脑机接口,是未来脑机技术的重点发展标的目的

随着人机交互技术的不竭前行,特别是混合现实、元宇宙等新技术场景需求的不竭涌现,传统用于信息获取感知单元的刚性接口硬件已经难以满足需求。与之比拟,柔性脑机接口使用材与人体组织之间更加紧密地融合,能够快速交换神经信息、运动信息和环境信息等,是未来重点发展的技术标的目的。

● 以蚕丝蛋白为主体的柔性电极,在生物相容性、机械强度上要比化工或化学合成材制成的电极有优势,不会对大脑产生切割伤害,可以不变记录脑电信号。在2021年的世界人工智能大会上,脑虎科技凭借由蚕丝蛋白制成的“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口系统”获得了最高奖“卓越人工智能引领奖”,同时也上榜了2022年MIT“50 家聪明的公司”(TR50)榜单。

● 西南交通大学材科学与工程学院鲁雄团队制备了一种具有免疫规避能力的脑级柔软、导电和生物粘附性水凝胶集成BMI,能够与柔软、活跃的脑组织建立无缝接口,获得高保真度的不变生物信号。与传统电极比拟,超软水凝胶电极记录的脑电信号几乎没有伪影出现,显示出较好的不变性和准确性。

4.6 未来将从经典脑机接口到脑机交互再到脑机智能的技术演变

在脑机接口技术领域,未来脑机接口的发展按照信息传输标的目的分类,将从经典的脑机接口逐渐演变为脑机交互最后到脑机智能的模式。

资来源:公开信息,蛋壳研究院

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“动脉网”(ID:vcbeat),作者:张啟,经。

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