脑机接口硬件技术和未来应用总结

作者：郭 珺，张思齐，薛 凯，吉博文

摘要：脑科学是以脑为研究对象的多学科汇合的新兴研究领域，是研究人、动物和机器认知与智能的本质与规律的科学，其中，脑机接口硬件技术是推进脑科学发展的关键。基于电生理信号的脑机接口硬件设备根据采集信号时电极位置和方法不同，分为无创、微创、浅脑有创和深脑有创四种。首先阐述了四种脑机接口关键硬件技术路线，以国内外最新产品和科研成果为例分析了非植入式和植入式脑电信号采集的具体技术现状；之后举例说明了脑机接口硬件技术在医疗和消费两大领域的最新应用场景和未来展望。可以预见，随着脑机接口硬件技术的不断进步，在不久的未来将率先给人们的生命健康、日常生活带来颠覆性变化。

1 引 言

脑机接口（Brain-computer Interface，BCI）是指在有机生命形式的脑与具有处理或计算能力的设备之间，创建用于信息交换的连接通路，以实现信息交换及控制的一门技术。1969年，植入式脑机接口技术首次被应用于灵长类动物，证明了大脑具有良好的神经可塑性；1978年，第一例用于视力恢复的植入式脑机接口设备成功应用于人体；1988年，非植入式脑机接口首次成功被用来控制实际物体；1998年，首例可用于运动模拟的植入式脑机接口应用于人体；2014年，首例非植入式脑-脑接口成功实现；2015年开始，国内外脑机接口行业开始出现大量初创企业，产业化加速前行。目前，脑机接口已成为全球各国竞相投入的高新技术领域，相关产品已应用于科研、医疗、消费、教育等行业。其中，脑电信号采集硬件是脑机接口能力生成的关键，为实现高精度、高质量、高可靠的脑电信号解码提供了必要的研究工具。除了神经电信号之外，功能性磁共振成像、功能性近红外光成像、功能性经颅多普勒超声、光学成像系统等也被视为必不可少的脑机接口设备。本文将重点讨论脑电信号采集硬件。

基于脑电信号的采集技术，根据采集信号时电极位置和方法差别，可以分为无创、微创、浅脑有创和深脑有创四种。无创脑电采集硬件解码头皮脑电信号，对人体无损伤，但信号衰减严重、信噪比低、难提取；微创脑电硬件设备解码颅骨内皮层表面脑电信号，相比于无创电极具有相对更高的信噪比和时空分辨率，可以利用微电极阵列在大脑皮层局部区域采集场电位，采集的主要是中等节律信号，幅值通常在0.01~5 mV范围，响应频率小于200 Hz；有创脑机接口直接解码皮层以内脑电信号，其信噪比和分辨率最高，但对脑组织有损伤，并存在感染风险，其中浅脑有创电极仅刺入皮层浅表，深度约在毫米级，而深脑有创电极将刺入大脑深处，深度以厘米计。

随着脑电信号获取、处理、传输、解码等技术的融合发展，越来越多的医疗级、消费级脑机接口产品开始涌现。医疗领域是脑机接口最初、最直接和最主要的应用领域，脑机接口设备在神经、精神系统疾病的诊断、筛查、监护、治疗与康复领域拥有广泛的应用前景。不仅可以帮助身体运动、语言等功能受损但思维清晰患者，通过思维来控制外部设备如轮椅、机械手等；反过来可以刺激大脑，帮助病人大脑功能恢复，如闭环植入式神经调控已经在帕金森病、癫痫、抑郁、失眠等神经和精神系统疾病的治疗中取得了重要进展。

消费领域是非植入式脑机接口的主要应用领域，包括消费电子、智能家居、教育娱乐等，例如通过检测玩家脑电、皮肤电、心率、瞳孔、姿势、面部表情等来评估情绪，进而调整游戏音乐和背景，达到虚拟现实的境界，未来将有望对人们的生活产生变革性影响。因此，脑机接口硬件技术的不断发展为各类应用提供支持，更多更明确的应用需求反过来也引领了脑机接口硬件技术的发展方向，二者关系如图1所示。但是发展过程依然面临诸多挑战，比如研发成本高、周期长、技术成熟度和产品化程度低等问题。

本文首先从无创、微创、浅脑有创和深脑有创四个方面介绍了脑电信号采集的代表性新兴硬件技术，其次举例介绍了脑机接口在医疗和消费领域的最新应用场景，最后对脑机接口硬件技术和未来应用进行了总结展望。

2硬件技术

2. 1无创脑电硬件设备

脑电图（Electroencephalogram，EEG）是从人类或动物的头皮上记录到的电位变化，属于常见的非植入式大脑信号采集技术，相比于植入式采集和半植入式脑机接口，无需考虑手术带来的风险。EEG信号采集的明显优势在于时间分辨率可达毫秒级别，能够实时进行脑电监测和在线数据传输，且采集设备简单、操作方便安全、受众广，具备成为消费级脑机接口的潜力。

利用电极帽采集大脑信号时的参数包括电极数量、采样频率、采样带宽、参考电极种类等。传统的头皮脑电采集设备通常使用8~128通道电极，采样频率为100~1000 Hz，采样带宽为0.1~100 Hz，参考电极包括耳垂电极、鼻电极和平均参考电极等。随着采集需求的不断提升，信号采集逐渐朝着高通道、低延时、高精度方向发展。近年来不断有新的脑电采集设备获得专业机构认证，得到认证的硬件产品为便携、可靠的信号采集提供了更多选择。表1对比了传统EEG电极帽和近期获得美国食品和药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）认证的两款脑电采集设备的性能参数。

2023年5月，爱尔兰生物科技公司Cumulus Neuroscience旗下的干电极（dry-sensor）脑电头戴设备获得了认证，该设备配备了16个电极，采样频率高达500 Hz，带宽范围在0.5~250 Hz，该采样频率可以捕获高频信号和快速变化的脑电活动，有助于记录和分析更加复杂的脑电信号，并采用平均参考电极作为比较其他电极信号的参考点。相比于传统的头皮脑电采集设备，该设备在干电极、高通道、清洁度方面展现出了极大的优势：干电极方面，该头戴设备使用“Dry Sensor”技术，可避免使用传统凝胶电极带来的不便和不适，同时可以实现高精度和高灵敏度的信号采集；高通道方面，该设备可同时记录多个脑区的电信号，捕获高频信号和快速变化的脑电活动，从而采集到更高精度的信号并提供更高的噪声抑制能力；清洁度方面，干电极脑电图头戴设备“Dry Sensor”设计无需频繁清洗，且佩戴更加方便。

传统的脑电信号采集设备功能单一，近年来市面上也逐渐出现一些“脑电采集+外设控制”设备。例如，2023年5月，无创脑机接口和增强现实（Augmented Reality，AR）技术开发商Cognixion旗下的Cognixion ONE Axon（COA）设备获得了FDA的突破性设备认定。Cognixion ONE Axon设备结合BCI和AR技术，能够帮助肌肉萎缩症、创伤性脑损伤疾病患者提高生活质量。该设备采用6个无线脑电传感器和1个无线眼动传感器记录大脑信号和眼动信号，采样频率为250 Hz，带宽范围为0.5~125 Hz。该采样频率和带宽范围可捕捉到较高频率的特定脑电信号。相比于传统的电极帽，COA设备在舒适度、便捷性、灵活性方面展现出极大优势：舒适度方面，无须使用传导胶；便捷性方面，采用了轻量化材料，携带和佩戴更加便捷和舒适；灵活性方面，采用无线传感器采集数据，使用者在行动时也可保持稳定的信号采集。在佩戴该头盔的基础上，患者可通过配套的AR头显来传达自身想法，对于瘫痪病人同样适用。

头皮脑电采集作为一种非植入性的神经生理信号采集技术，广泛应用于神经科学、脑机接口、增强现实等领域，未来逐渐向着无线化、便携化、舒适化、高密度等方向发展。但受限于颅骨对神经信号的衰减作用和对神经元发出的电场活动的分散和模糊效应，使得信号分辨率不高，导致可实现的脑机交互性能有限。

2. 2微创脑电硬件设备

微创脑机接口解码颅骨内皮层表面脑电信号（Electrocorticogram，ECoG），比头皮脑电信噪比高、分辨率高、信号采集频率范围更大，包含皮层神经元群体活动信息。根据植入电极位置的不同，将其分为皮层脑电采集和血管介入式脑电采集。

皮层脑电采集是通过在大脑表面放置电极阵列来记录神经电活动，可用于术中癫痫病灶定位、运动编解码、语言编解码、体感诱发反馈等。目前国内外已有多家科技公司开展皮层脑电相关硬件设备开发。其中，具有代表性的是美国NeuroPace公司研发的反应性神经刺激系统（Responsive Neurostimulator System，RNS）。这是一种可植入式闭环神经刺激系统，于2013年11月获得FDA批准上市，用于经药物治疗无效的成年患者局灶性起源癫痫发作的治疗。RNS系统通过植入在大脑中的微创皮层电极实时监测大脑中的异常电信号，并在发作前通过深部电极进行响应和干预，以降低癫痫发作的频率。如图2（a）所示，RNS的优势在于其是一种反应性治疗方法，只有在检测到异常电信号时才会进行干预，减少了对正常脑功能的干扰。此外，该系统所记录的脑电数据，对于探究癫痫发病机制和大脑功能有重要作用。截至2021年底，已经有超过4000名患者接受了该植入手术，并且在长期随机对照研究随访中，9年后癫痫发作频率中位数降低75%，癫痫猝死发生率也大幅降低。

2023年4月，另一家脑科技公司Precision Neuroscience完成其神经植入系统Layer 7 Cortical Interface System的首次人体临床试验，该植入系统将1024通道的微型皮层电极集成在1 cm2大小的柔性薄膜上，相比以往神经外科手术常用的典型电极阵列，该系统能以高出数百倍分辨率的精度映射大脑大范围区域。同时，所使用的皮层电极阵列可以通过在颅骨上开一条宽度小于1 mm的细缝塞入颅骨和皮层的间隙，微创损伤极小。该设备已经在三名大脑语言区域患有肿瘤的患者身上进行了短时植入，预计近期完成向FDA申请长达30天的在体植入许可。

相较于国外，国内皮层脑电信号采集硬件技术正处于飞速发展阶段，多家研究机构和公司如华科恒生、脑虎科技、科斗脑机，在人体临床和动物实验用皮层脑电采集硬件上均有产品面世。2022年，相关研究机构人员通过手术前的功能磁共振影像精准定位目标脑区，只用3通道皮层电极就实现了微创植入脑机接口打字，速度达到每分钟12个字符，单电极的等效信息传输率达到20比特/分钟，远高于美国斯坦福大学脑机接口团队研发的手写字符高速识别技术，该技术使用两个微硅针犹他电极共192通道，单电极通道等效信息传输率约为2比特/分钟。

近年来，出现了一种完全不同于皮层脑电的新型微创脑机接口技术，即血管介入式脑电采集（Vascular Interventional Electroencephalogram，VIEEG）。通过将电极植入血管来记录神经元的电活动，信号采集的空间分辨率在数毫米到数厘米之间，时域分辨率高达数千赫兹，能够捕捉细微的神经元活动，帮助患有肌萎缩侧索硬化症（Amyotropyic Lateral Sclerosis，ALS），即渐冻症的患者通过思想无线控制数字设备，以提高功能独立性。

2020年10月，墨尔本大学脑机接口初创公司Synchron研发的Stentrode设备通过颈静脉植入到了两名渐冻症患者体内，手术完成后患者用意念成功控制了个人电脑。植入设备包括三部分：运动神经假体、内部遥测单元和外部遥测单元。搭载16个电极传感器的运动神经假体通过导管从颈静脉进入，经引导定位移动到正确的位置，假体脱鞘固定于颅内静脉的血管壁。其中，上矢状窦处血管是大脑的主要引流通道之一，该血管直径约4~7 mm，其血管内壁可以采集到皮层电信号，并通过内部遥测单元无线传输到外部遥测单元，最终传输到平板电脑，如图2（b）所示。通过颈静脉脑机接口和眼动跟踪器，上肢运动能力缺失的ALS参与者能够控制Windows 10操作系统，独立完成远程通信、网上购物等任务。2023年1月，Synchron公司在医学杂志 JAMA Neurology 发表了针对四名重症患者植入该设备后12个月的连续随访结果，使用神经假体装置可以长期从大脑血管内部传输神经信号，设备没有凝块或迁移，这也为该技术设备的下一步发展提供了长期安全性支撑依据。

近期国内也有研究机构和公司开展了关于血管介入脑电采集的研究，例如有研究人员将采样电极点安装在取栓支架的金属丝上来采集颅内信号，该方法突破了血管内脑电信号采集、介入式脑电信号识别等核心技术，2022年和2023年已初步完成了在羊和食蟹猴等试验动物的体内试验，实现了介入式脑电信号从被动采集到主动控制的技术飞跃。血管介入式脑电采集由于无需开颅手术即可采集到颅内脑电信号，相较于传统侵入式和非侵入式脑机接口，兼顾了安全性、识别稳定性，对于脑卒中、渐冻症等行动不便以及抑郁症、躁郁症等精神疾病，该类微创脑机接口设备将更容易被大量临床患者所接受。

2. 3浅脑有创脑电硬件设备

有创脑机接口直接解码皮层以内脑电信号，甚至可以采集单个神经元的动作电位，其信噪比和分辨率最高，根据电极植入脑部的深度，这里将有创脑电信号采集技术分为浅脑和深脑两种。犹他电极阵列（Utah Electrode Array，UEA）作为浅脑有创脑电信号采集设备的代表，如图3所示，基于体硅材料加工，硅针长度为1.0 mm或1.5 mm，尖端涂有金属材质（铂，氧化铱）用于导电，硅针外表面为ParyleneC绝缘层，间距400 µm，暴露电极点尖端直径最小6~10 µm，可实现最高检测通道数100，记录位点面积约500 μm2，电极阻抗100~800 kΩ，是美国FDA唯一批准用于临床的植入式电极阵列，也是长期以来业界公认的采集和刺激大脑的黄金标准电极，记录时长最长可达数年。犹他电极系统的优点包括高通道数、安全性和寿命长且稳定，自2004年首次植入人体以来，迄今未发生与植入物相关的严重不良事件。

犹他大学Normann研究组首次提出犹他电极阵列可追溯至1989年，经过多年的发展和验证，犹他电极阵列已成为多通道、高密度采集动作电位、场电位和末梢神经信号的首选方案。近二十年来，研究人员以犹他电极阵列为基础，尝试开发硅基、玻璃基、金属基等不同材料、结构、功能的变体犹他电极阵列，为浅脑采集和刺激提供了更多技术可能性。

而将犹他电极阵列商品化、系统化的公司Blackrock Neurotech，目前在脑机接口上游有多款产品，涵盖电极、数据采集系统、刺激器、无线探头、配件、适配器等。一套完整的浅脑有创犹他电极阵列硬件设备包括：（1）高通量犹他电极阵列，可以获取到更多、更丰富的信号，使得在假体设备上可以控制更多的自由度；（2）临床线缆，在犹他电极阵列和NeuroPort采集系统之间提供抗噪音干扰的连接；（3）前置放大器，用于信号放大、滤波及高精度模数转换（最多可达128通道），然后通过光纤线与NeruoPort 进行无噪声远距离的连接；（4）前置放大器电源，医疗安全级别的低噪声保护电源；（5）NeuroPort（256通道）信号采集和显示系统，信号滤波及神经元分类通过机载处理器在线实时完成，这些数据可以立即通过控制算法来驱动假肢。

该公司研发的Move Again BCI设备于2021年获得美国FDA的突破性设备认定。该设备旨在读取患者脑信号后，解码并发送到数字设备，帮助用户通过使用他们的思想来控制移动设备或平板电脑、鼠标光标、键盘轮椅或假肢。由于大脑信号变化频繁，脑机接口需要反复校准和训练，因此可辅以机器学习模型和算法，以降低脑机接口的运行延迟。

虽然以犹他电极阵列为代表的浅脑有创脑电采集设备已在脑机接口领域成为了金标准，但如何在最低限度损伤大脑和最大限度利用大脑之间达到平衡，仍然是该类信号采集硬件设备的核心挑战，具体包括电极密度难以提升、刚性易引起脑组织炎症反应、集成无线神经接口难度大、活体长期植入实验数据少等问题。

近年来，随着柔性材料和微纳加工技术的快速发展，深脑植入式柔性微电极作为脑机接口的信号采集和刺激调控前端，已在通道数和安全性方面展现出显著优势。埃隆·马斯克成立的Neuralink公司，自2019年起，报道了鼠、猪和猕猴大脑植入脑机接口硬件设备进行信号采集和解码，实现了关节活动准确预测和意念控制电脑玩游戏，为人体长期植入、安全工作打下基础。其研制的柔性神经微电极“线”阵列，通道数最多可达3072，电极阻抗约50 kΩ，能够安全有效地植入动物体内达数月之久。除了线阵列微电极外，核心硬件设备还包括神经外科机器人和定制芯片。缝纫机式机器人能够高效地将微电极“缝合”到患者的大脑灰质中任意目标位置，形成与周围神经元的连接。2020年，该公司推出LINK V0.9硬件设备，尺寸仅为23 mm×8 mm，硬币大小，拥有1024路采集通道，电池可全天续航并无线充电，能够感应温度气压，并读取脑电波、脉搏等生理信号，可以置于人脑的颅顶部位，如图4所示。2023年5月，Neuralink获得FDA的突破性设备认证，允许其进行人体临床实验。该设备将来可用于让失明者恢复视力，残障者恢复行动能力，并通过AI与人沟通。

2. 4深脑有创脑电硬件设备

深脑有创硬件设备可以直接解码大脑深部的脑电信号，其信噪比和分辨率最高，但由于植入位置较深，对脑组织损伤较大，并存在感染风险。深部脑刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）技术于20世纪70年代出现，是深脑有创脑机接口硬件设备的重要组成，具有小创伤、高安全、可调控等优点，是一种适合帕金森、肌张力障碍、药物难治性癫痫等疾病的治疗方法。

医生通过在患者头部上方开一个小孔，将DBS电极插入大脑中特定的区域。DBS电极的材料一般使用铂-铱合金，具有很低的金属毒性和良好的导电性，外围包裹一层聚氨酯鞘来保护线路免受体内免疫系统的侵蚀，现在最常用的标准电极由四个触点构成，直径在1.27 mm，每个环性触点长1.5 mm，彼此之间相隔0.5 mm或1.5 mm。可以通过改变不同的刺激触点影响不同的组织范围，也可以使用把环状触点分割成多段的方向性电极，它提供了对特定方向刺激的能力，可实现精准刺激以提升刺激效率，减少刺激不必要大脑区域带来的副作用，进而拓宽治疗窗口。

DBS 电极与植入式脉冲发生器 （Implantable Pulse Generator，IPG）连接，然而 IPG 与电极相比，发展相对缓慢。新型的输电方式、新颖的刺激波形、电刺激程序控制 （程控） 的优化、较高的能量利用效率和较小的体积等，一直是临床上使患者更安全、更舒适、疗效更好的目标。基于机器学习的自动程控、核磁兼容、无线数据传输、 远程患者监控等都是IPG的重要发展方向。

相较于传统脑起搏器，美敦力的Percept PC设备集成了电刺激治疗、脑电监测以及AI算法系统。患者使用Percept PC进行的非刺激LFP记录包含较少的刺激伪影，可以使用简单的数字滤波器轻松去除。Percept PC感知能力的提高可归因于技术规格的多项变化，这些变化是基于第一代神经刺激器的经验；采用前端消隐开关，限制了刺激和感觉之间的时间重叠，感觉消隐持续时间可由临床医生/研究人员设置在0~2.5 ms之间；全差分放大器的实现也提高了共模噪声抑制；最后，信号最初以100 kHz采样，在设备上进行低通滤波，随后将采样降至250 Hz进行频谱分析和输出，从而最大限度地减少刺激速率谐波混叠到感兴趣频段的风险。另外，该设备并未发现某些设备报道的由采样时钟和刺激速率之间的相互作用引起的其他噪声源。

Percept PC在刺激过程中感知能力的提高，证明了主动刺激导致LFP在beta波段功率的降低，而LFP的beta带功率被认为是DBS治疗帕金森病疗效的标志。2022年，这款智能可感知脑起搏器已获得中国国家药监局批准正式上市，将用于帕金森病、特发性震颤、癫痫和肌张力障碍的治疗；2023年中国国家药监局批准美敦力智能可感知脑起搏器Percept PC全套植入系统兼容3.0 T和1.5 T全身核磁扫描。

2022年2月，国内首创闭环神经刺激器——瑞神安医疗CNS 601，由首都医科大学宣武医院功能神外团队完成了首例治疗帕金森病植入。此次临床试验植入的闭环神经刺激器是国内首个用于治疗帕金森病的闭环脑刺激器，该系统共有16通道，可以连接2~4根4触点或者不同触点的针状电极或者片状电极，具有16通道刺激、8通道采集的功能，同时具有近场通信和蓝牙通信双模通信功能，患者开启蓝牙通信功能将采集的脑电传输到体外程控仪，再通过WiFi同步上传到远程服务器中。该次临床试验的植入也标志着中国闭环神经刺激器系统治疗帕金森病的临床转化研究达到国际领先水平。

2023年7月，北京品驰研发的新一代蓝牙可感知、可充电、可远程程控的3.0 T磁共振兼容脑起搏器（106RS型），在中国科大附一院（安徽省立医院）完成上市后首例临床应用，标志着我国在神经调控领域取得了又一进步。该新型闭环DBS设备的可感知功能，可以在程控系统实时看到患者脑内手术靶点核团的放电情况，医生可以根据患者脑电信号的变化，调整患者的刺激参数对患者脑内核团进行电刺激，达到最适宜、最有效的刺激效果。

同样是深脑有创植入硬件设备，立体定位脑电图（Stereoelectroencephalography，sEEG）电极植入手术是近年来兴起的一种全新的癫痫病灶定位技术，它是结合立体定向微创定位方式与脑电监测技术而发展起来的，能够更加直接地监测、记录大脑中深部组织的放电活动，描绘致痫网络及其传播途径，指导难治性癫痫患者进一步手术。

国际上，美国PMT公司生产的sEEG深部电极直径小于0.8 mm，比传统深部电极的直径小30%，侵入损伤性更小，导联数可根据实际需求进行定制，最多能实现16导联，如图6所示。该电极的锚定螺栓附着在地脚螺栓驱动器上，在插入过程中不受重力的影响，且由于锚定螺栓和电极放置的步骤简单，放置过程用时更短。其中锚定螺栓长度为25~40 mm，加上不同颜色的编码，以增加辨识度、适用度。该电极接杆光滑，尖端圆钝，以防在插入过程中引起脑组织和血管的损伤。其放置位点选择基于临床症状、脑电图和神经影像等无创检查后综合考虑确定，在癫痫病人中一般放置位点会包括病灶、发作早期放电部位以及可能传导和波及的脑内结构，可以精确定位到致痫灶，具有较高的时间分辨率和空间分辨率。

3 应用场景

脑机接口作为一种特殊的人机交互方式，受到越来越多的关注。植入式脑机接口硬件设备主要应用在医疗健康领域，在神经替代、神经调控相关技术和产品方面发展迅速。非植入式脑机接口硬件设备主要应用在更广泛的生活消费领域，正逐步在康复训练、教育娱乐、智能生活、生产制造等众多方面为人类服务。因此，脑机接口硬件设备无论是在医疗还是在消费领域，都具有广泛的应用前景。

3. 1医疗领域

医疗领域，脑机接口主要面向癫痫、帕金森、瘫痪、渐冻症等患者。据统计，我国的帕金森病患病人数已超过300万人，2030年将达到500万人；癫痫患者近1000万，每年新增癫痫人数高达40万，其中30%为药物性难治癫痫。以癫痫为例，癫痫是大脑神经元突发性异常放电，导致短暂的大脑功能障碍的一种慢性疾病，目前常见的癫痫外科治疗方法主要有切除、切断、毁损和微创神经调控等几类。对于已经经过开颅切除病灶的药物难治性癫痫患者，脑起搏器植入术更适用，脑深部电刺激可在脑部靶区内抑制异常神经活动，使运动神经环路恢复至相对正常的功能状态，以更好控制癫痫症状的发生。例如手术后，患者的癫痫发作次数会显著减少，由之前每天发作5~6次到现在每6~7天偶尔发作一次，因此使用脑起搏器治疗药物难治性癫痫效果良好。当前脑起搏器已广泛应用于医疗市场，未来可期待在成瘾和强迫症等精神疾病领域的应用。

作为发展最为成熟、受众最广的脑机接口硬件设备，近年来具有感知技术的脑起搏器的诞生，标志着 DBS 从此进入了数字时代。在发射治疗电脉冲的同时，能够精准捕捉患者脑内与疾病症状相关的特定脑电信号，并加以智能算法分析，为患者提供更加个体化的精准治疗，帮助患者趋于“正常”状态。以美敦力公司的神经刺激器Percept PC为例，其采用的BrainSense技术可捕获大脑LFP信号，同时Percept PC神经刺激器改进绝缘以增以增强LFP检测，所采集到的LFP信号幅值比DBS刺激脉冲小100万倍，被科学界誉为在“飞机轰鸣下听到耳语”。能够将捕捉到的脑电信号通过近场通讯方式传输到医生端，尤其是其捕捉到的beta段信号，这将大幅提高DBS治疗效果，如图7所示，智能可感知脑起搏器Percept PC结合了两项新技术能力，一是传感能力，使医生能够实时监测大脑信号，并根据这些数据优化刺激设置；二是“定向引线”，使电流能够通过电极更精确地瞄准靶点刺激。

2021年6月，在美国食品和药物管理局批准系统用于治疗帕金森病、肌张力障碍和特发性震颤症状后不久，美国佛罗里达大学医学院在全美第一个开展了Percept PC系统的植入手术。在系统中添加了定向导联，提高了定位异常信号的能力，并能够更有效地将电流引导到大脑中最有益的区域。在接受DBS手术后，患者通常每月在临床进行为期6个月的优化阶段，调整和微调刺激设置，以获得最优效果，即在刺激产生最小或没有副作用的情况下实现对症状的最佳控制。

2023年7月，作为世界最大的神经调控和脑起搏器植入中心的上海瑞金医院，完成了全国首例植入Percept PC系统的手术，术后患者逐步恢复了清醒的意识，手脚也没有了抖动的情况。由于该设备同时兼容3.0 T和1.5 T全身核磁安全扫描，保证了患者在未来可能接受核磁检查的权利。

提升运动障碍患者的生活质量是脑机接口硬件技术的一个重要应用方向。恢复瘫痪患者的手部运动是一项艰巨的挑战，因为手部有超过20个自由度，且手部移动和旋转方式比腿部更自由，因此大脑中编码和肌肉控制难度极高。

2016年，美国俄亥俄州立大学和美国巴特尔纪念研究所合作，研制出结合了犹他电极阵列设备和上肢肌肉的功能电刺激器袖套，该“袖套”由130个电极组成，能把信号转换成肌肉收缩以产生手和腕部的运动，如图8（a）所示，使得一位高位截瘫志愿者成功利用自主意识，恢复多个手指、手和手腕的运动能力，控制自身瘫痪手臂完成对水杯、勺子的抓握，以及弹吉他、刷卡等动作。这套系统只能在实验室里使用，让患者自由受到限制，同时需要在每次开始时重新校准，距离更广泛的医疗应用还存在一定差距。2022年，瑞士洛桑大学医院在该工作的基础上，为了研究脑内犹他电极阵列动作主导感的意义并评估其临床影响，对一名四肢瘫痪且脑内植入犹他电极阵列、小臂贴附神经肌肉电刺激系统的患者的解码运动指令和感觉反馈之间的一致性进行实验操作，如图8（b）所示，结果表明初级运动皮层处理通过脑机接口产生的感觉反馈、感觉-运动冲突和主观行为状态。

植入式犹他电极阵列不仅能采集信号，也能通过微小的电刺激脉冲来刺激大脑的感觉区，以便唤醒手部不同区域的感觉，提高控制机械臂的精度和效率。2021年，美国匹兹堡大学等研究机构描述了如何通过增加大脑刺激来唤起触觉，从而使操作者更容易操纵大脑控制的机械臂，如图8（c）所示，实验中通过犹他电极阵列设备形成的人工触觉来补充视觉，使得抓取和转移物体的时间减少了一半，中位时间从20.9 s减少到10.2 s。电极阵列使被试患者不仅能用意念控制机械臂，还能接收触觉反馈，这与脊髓完好无损时的神经回路运作方式相似。这种方式可以将从大脑读取信息来控制机械臂运动和写回信息提供感觉反馈这两者有机结合。

帮助瘫痪或患有运动障碍的人恢复更精细的行动能力，始终是植入式脑机接口不断追求的目标之一。2022年，美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室在一位瘫痪患者双边植入犹他电极阵列设备，其中3个电极阵列植入在运动皮层，3个电极阵列植入在感觉皮层，在世界上首次实现了从大脑两侧采集信号并同时操控两只机械臂协同精细动作，例如使用餐刀餐叉实现自主进食，如图8（d）所示。患者在刚植入设备时还无法直接进行两只机械臂操作，需要长时间训练和学习，经过9个多月的练习，患者才能够顺利控制两个机械臂，左机械手用餐刀切蛋糕，右机械手用餐叉将蛋糕缓缓举起送入口中。能够实现这样精细化的动作，同样离不开电极阵列输出电脉冲，通过“刺激”负责运动/感觉的大脑皮层区域以形成触觉。

此前，脑机接口领域的研究焦点是恢复患者的运动功能，例如操控机械臂抓取物体，或者移动电脑光标、选择点击字母输入等。2021年，美国斯坦福大学霍华德休斯医学研究所的研究人员首次破译了与手写书信相关的大脑活动，利用植入大脑运动皮层的犹他电极阵列设备获取神经活动，解码“手写”笔迹，并使用循环神经网络解码方法将笔迹实时翻译成文本，快速将患者手写的想法转换为电脑屏幕上的文本，如图9所示。瘫痪患者只需脑补“手写文字”，所想的文本就会实时显示在屏幕上。在这项研究中，患者每分钟可键入90个字符，接近同龄正常人使用智能手机时每分钟键入115个字符的速度，创造了迄今为止报道的犹他电极阵列硬件设备的最快速度，同时在线的原始准确率为94.1%，经过通用的自动纠错后，准确率超过99%。与世界上最先进的语音识别系统（单词错误率为4%~5%）相比，借助循环神经网络的训练数据，该设备系统展现出极好的可用性。

国内脑机接口硬件设备的医疗应用也处于蓬勃发展阶段。例如佳量医疗公司开发了国内第一款采用闭环原理并实现监测和刺激一体化的植入式神经刺激系统，也是国内第一款实现全颅骨植入的全球最小体积及厚度的神经刺激器，植入后可用于抑制癫痫发作。2022年3月，该系统用于难治性癫痫的临床试验开展了10例安全性、可行性的验证试验，这套设备没有明显的不良反应，对于脑电的识别也较满意，一年的有效率/改善率超过50%。2023年2月，脑虎科技公司研究人员在一名42岁的男性患者身上顺利完成一项256通道柔性深部电极的植入手术，实现单神经元动作电位信号记录，初步验证了该项技术的有效性和安全性。

3. 2消费领域

脑机接口技术已经开始走进人们的生活，针对非植入式脑机接口技术已经开发出各类可穿戴设备，目前已经实现了日常解压、儿童专注力提升、睡眠障碍改善等消费级应用。本文将介绍非植入式脑电信号采集设备在睡眠改善和混合现实意念控制方向的两个应用实例。

根据世界卫生组织统计，2018年全球睡眠障碍率达27%，中国成年人失眠发生率高达38.2%，有超3亿中国人有睡眠障碍。而中国睡眠研究会发布的《2022中国国民健康睡眠白皮书》的调查结果显示，44%的19~25岁年轻人熬夜至零点以后；42%的老年人入睡时长超过半小时，失眠率高达21%；19~35岁青壮年是睡眠问题高发年龄段，睡不好渐成年轻人的普遍痛点。无论是入睡难还是睡眠不足，都有可能造成认知表现力下降，免疫系统功能削弱，并增加慢性疾病的患病风险。

2021年，国内柔灵科技公司开发了一款应用于精准睡眠监测的柔性脑电睡眠贴片。通过额部贴片来监测、收集海量脑电信号数据并存储于云端，再通过多层卷积神经网络和AI分析算法，精准测算人体各睡眠周期、时长、效率、深睡与快速眼动比例等具有医学价值的睡眠指标。2023年，该公司发布了一款适合消费场景使用的单通道小型化脑电监测设备Airdream，形似一枚硬币，质量仅4 g，如图10所示。除通过脑电信号监测睡眠质量外，其搭载了家用睡眠脑电管理系统，通过脑电引导的周期性噪声刺激方式来增强慢波睡眠，实现闭环睡眠干预。

未来，通过贴片持续监测脑电信号，依据用户睡眠状况可以个性化调整影响睡眠状态的温度、光线、声音、气味等室内环境因子。对包括床垫、窗帘、灯光、音乐、空调、枕头、香薰等在内的智能家居设备进行调控，从视觉、听觉、嗅觉等调整用户睡眠环境，辅助用户减压、放松，快速进入睡眠状态，适用于个人家居、酒店宾馆等睡眠场景。

消费领域的另一个巨大市场是头戴式显示设备，但如何进行更自然的人机交互依然是一个不小的挑战，目前尚处于从手柄这样的物理控制器转向手部和眼部追踪。结合非植入式脑电信号采集技术，有望解放手和眼，靠意念就能控制一切，应用范围从游戏到医疗保健。

美国OpenBCI公司是一家致力于开发无创脑机接口技术以及硬件设备的公司。最初于2020年底宣布了Galea设备，这是一个硬件和软件平台，旨在将其脑机接口技术与XR头显相结合，并已于2023年上市销售，售价为2.5万美元/套。Galea头戴设备能够附接到AR和VR头显，并通过生物传感器来监测实时数据流，如图11所示。其中，它搭载了诸如脑电图、眼电图、肌电图、皮肤电活动和光容积描记等一系列不同的传感器，可用于测量来自大脑、眼睛、心脏、皮肤和肌肉的数据。

设备中所增加的传感器阵列带来了更多的交互可能性。Galea支持开发人员、研究人员测量包括幸福感、焦虑、抑郁、注意力持续时间及兴趣水平在内的“人类情感与面部表情”，并采用相关数据来为个人量身定制更具沉浸感的内容。同时，设备还包括了一个软件开发工具包，以便研究人员将研究对象的生物特征数据流引入“通用开发环境”。通过多模态传感器系统与增强现实和虚拟现实相结合，所形成的人类意识整合的头戴式计算机，未来将推动下一个重要技术范式的转变。

4 结束语

脑信号由数十亿个神经元之间的电活动产生，是人体内最复杂的信号，脑信号采集对于理解大脑功能、诊断治疗脑疾病等具有重要意义。本文首先阐述了四种脑机接口关键硬件技术路线，以国内外最新产品和科研成果为例，分析了非植入式和植入式脑电信号采集的具体技术现状；之后举例说明了脑机接口硬件技术在医疗和消费两大关键领域的最新应用场景。

无创脑电硬件设备由于具有简单、操作方便安全、受众广等特点，正逐渐向着无线化、便携化、舒适化、高密度等方向发展，具有成为消费级脑机接口的市场潜力。微创脑电硬件设备包括皮层脑电采集和血管介入式脑电采集，分别以美国NeuroPace公司RNS系统和澳大利亚Synchron公司的Stentrode设备为例介绍了各自技术特色。浅脑有创脑电硬件设备主要用来解码皮层以内毫米级深度的脑电信号，重点介绍了美国FDA唯一批准用于临床的植入式电极阵列——犹他电极阵列，以及近年来刚出现的美国Neuralink公司开发的柔性微电极“线”阵列。深脑有创脑电硬件设备方面重点介绍了国内外几款具有LFP脑电采集功能、用于帕金森症等疾病治疗的闭环DBS设备，以及用于癫痫病灶定位的sEEG深部电极设备。

在医疗领域，脑机接口主要面向癫痫、帕金森、瘫痪、渐冻症等患者。首先介绍了美敦力公司最新的智能可感知脑起搏器Percept PC设备在国内外应用于闭环DBS手术治疗重度帕金森患者，加以智能算法分析，能够为患者提供更加个体化的精准治疗，大幅提高治疗效果。其次介绍了犹他电极阵列近年来基于肌肉刺激、触觉唤醒、神经网络等新技术，帮助运动和语言障碍患者仅依靠该类设备即可在一定程度上恢复功能，通过训练实现同时脑控两只机械臂精细协同动作，或以超过99% 的准确率实现每分钟打字90个字符。

在消费领域，脑机接口相关商业公司的各类产品蓬勃发展，应用场景层出不穷。首先介绍了睡眠改善这一消费级应用，以国内柔灵科技公司推出的用于精准睡眠监测的柔性脑电睡眠贴片为例，不仅设备自身具有闭环睡眠干预功能，同时未来结合智能家居可以调节用户睡眠环境，有效解决睡眠障碍问题。其次介绍了混合现实意念控制这一消费级应用，将包括脑电信号采集技术在内的多模态传感器与头戴式显示设备结合，解放用户的双手和眼睛，实现依靠意念控制一切，并能够评估人类情感和面部表情，未来将给用户带来前所未有的沉浸感和更加自然的人机交互体验。

未来应用展望方面，第一，脑机接口硬件技术将从单一电生理采集，走向电、光、磁、声等多模态联合应用，例如EEG和近红外同步监测脑功能变化可以更加全面评估脑部功能变化；第二，面向睡眠障碍、抑郁焦虑等脑功能健康状态监测和干预需求，脑机接口需要为助力实现更加个性化、精准化、情感化的大规模人群普惠应用做好准备，未来有望发展为基于大数据和算法驱动的智能数字疗法；第三，面向运动语言失能患者，微创脑机接口设备将更容易被患者接受，为实现脑控键盘、鼠标等人机交互和控制需求提供更加安全可靠的技术保障；第四，面向神经疾病患者生活质量改善的需求，伴随我国老龄化进程加速，以闭环DBS设备为代表的数字疗法将更加智能化、自适应，提高自主程控水平，减少患者就医频率，释放日趋紧张的医疗资源。

经过数十年的科学探索与技术迭代，脑机接口已从科幻走向现实，目前正处于应用落地的关键时期。根据脑机接口的发展现状，在硬件层面，神经科学、材料、传感器、大数据和人工智能等技术将进一步深入融合，脑电采集硬件设备未来将在智能化、可靠性、精确度等方面取得进一步突破；在应用层面，医疗级脑机接口将继续面向渐冻症、癫痫、帕金森、抑郁症等神经疾病患者，通过更加安全的设备实现功能恢复进而改善生活质量，而消费级脑机接口将继续挖掘市场核心需求，提高商业化水平，加速落地进入千家万户。总之，脑机接口行业市场潜在规模大、增速快，应用场景广阔、发展空间大，将为人们的生命健康、日常生活带来颠覆性变化。

审核编辑：黄飞