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《2022年脑机接口行业研究报告》出炉,多维度全面解析行业现状与前景

行业新闻 2022.12.08

 

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。

 

近期,蛋壳研究院发布《2022年脑机接口行业研究报告》,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。

 

 

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。

 

图片来源: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、保护脑、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”规划部署五项研究重点领域,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。

 

图片来源:蛋壳研究院

 

1.3 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%。

 

图片来源: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),对应的应用方向主要有医疗健康、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。

 

 

图片来源:蛋壳研究院

 

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。

 

图片来源:蛋壳研究院

 

2.3 技术改变传统康复手段,可帮助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,从而使患者锻炼大脑神经,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。

 

图片来源: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,已经可以帮助进行日常解压、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。

 

图片来源:蛋壳研究院

 

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。

 

图片来源: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推动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。

 

图片来源:蛋壳研究院

 

3.2 长期稳定的记录大规模信号是侵入式技术的核心挑战

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,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。

 

图片来源:蛋壳研究院

 

3.3 新材料、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。

 

图片来源: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,但是使用不方便;梳状干电极使用方便,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。

 

图片来源: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稳定的核心,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抑制效果提升,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。

 

图片来源:蛋壳研究院

 

浅谈脑机接口未来的发展趋势

 

4.1 信息交互手段从原来的以电为主,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原来的以电为主,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。

 

4.5 柔性脑机接口,是未来脑机技术的重点发展方向

随着人机交互技术的不断前行,特别是混合现实、元宇宙等新技术场景需求的不断涌现,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。与之相比,柔性脑机接口使用材料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方向。

 

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方向分类,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。

 

资料来源 :蛋壳研究院

 

 

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