专利分析非侵入式脑机接口技术发展趋势.pdf

-31-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期专利分析1924 年，人们首次发现了脑电波（Electroencephalogram，EEG），脑信息科学的大门被打开；1973 年，脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）概念被提出，探索人脑协同联动的研究之路开启；2000 年前后，两次脑机接口国际会议召开为脑机接口技术发展指明了方向；2022 年，马斯克旗下 Neuralink 公司公布了一项植入颅内的脑机接口实验结果，再次将脑机接口推上“热搜”。当前，全球多国正在加速脑机接口的研究和布局，以占据新一轮科技竞争制高点，美、欧、日、韩等国相继开启脑科学计划，我国也将“脑科学与类脑研究”列为“十四五”发展规划。谷歌、微软、脸书、阿里、百度、科大讯飞等科技巨头也纷纷介入该领域或以投资方式入局。脑机接口技术概述目前脑机接口（BCI）没有标准的定义，认可较广泛的是指在大脑与外部环境之间建立一种全新的不依赖于外周神经和肌肉组成的交流与控制通道，将脑神经活动转译为外部设备可识别信息，从而实现大脑与外部设备的直接交互。BCI 系统通常包括以下几个关键模块。脑电采集：检测大脑神经区域或脑皮层的脑电波信号。信号处理：对脑电信号进行去噪、特征提取和识别等计算，以确定大脑意图，可通过机器学习实现。输出、控制外部设备：将大脑意图转换为外设控制或显示信号，多用于辅助人们完成特定任务。反馈、刺激：利用声、光、电、磁等信号刺激大脑，实现脑机双向交互，多用于治疗疾病。脑机接口专利信息分析（一）数据采集行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度专利分析非侵入式脑机接口技术发展趋势刘义乐 李华芳刘义乐 李华芳（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心图 1 BCI 系统中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-32-专利分析本文利用 incoPat 作为检索工具进行专利数据检索，通过检索式“FULL=（脑（1N）机（1N）（接口 OR 交 互 OR 交 换）OR（brain（1N）（computer OR machine）（1N）interface）OR BCI OR BMI）AND（brain OR 脑 OR 神 经 OR neurology*）（2N）（电 OR 波 OR 信号 OR 电极 OR 探针 OR 芯片 OR signal*OR wave OR electr*OR probe OR chip）OR electroencephalogram OR EEG）AND（TIABC=脑 OR brain OR 神经 OR neurology*OR 电极 OR 探针 OR probe）”在中英文专利数据库中进行检索，共命中全球专利 20 448 条，合并同族后得到 9 517 条，其中，中文专利 5 337 条，非中文专利 4 179 条，检索时间截至 2023年 9 月 23 日（发明专利 18 个月公开期，2022 年以后的统计数据可能不完整）。（二）数据处理对检索结果进行筛选、去噪和技术分类，得到脑机接口技术相关专利 5 129 条，其中，中文专利 3 682 条，占比约72%，非中文专利 1 447 条，占比约 28%。对其进行标引和聚类，分别从申请趋势、技术构成、主要申请人等方面进行分析。近几年，全球脑机接口专利申请增长迅猛，呈指数发展趋势。从国内外发展趋势来看，国外起步较早，但从 2013年开始，国内每年申请量反超国外，且后续发力迅猛，占据了全球申请的主导地位，其次为美国、韩国、印度和日本。从专利技术构成来看，脑机接口专利主要集中在对脑电信号的处理、建模、脑意图识别领域，占比约 49%；将脑电信号转换为特定外设控制指令的专利占比 26%；涉及脑电信号采集的专利占比 17%；利用声光电磁等刺激大脑，诱发人体反应形成脑机交互的专利占比较少，约为 8%。此外，从不同类别的国内、外专利申请量来看，国内脑机接口以上各技术分支的专利申请量都较国外专利申请量多，占据优势地位。对国内外专利申请人类型进行聚类发现，国内外脑机接口专利申请人类型差别较大。国内主要申请人类型为大专院校，占比 63%，其次为企业和科研机构，个人申请量较少；国外主要申请人类型为企业，占比 39%，个人、科研机构和大专院校的申请量相当，约为 20%。对国内、外脑机接口主要申请人进行统计，分别梳理出排名前十的申请人。国内申请量前 10 位中有 9 所大学，1 家公司；国外申请量前 10 位中有 4 所大学，4 家公司，1 名个人和 1 家科研单位。国内主要申请人的专利申请量远远超出国外主要申请人的专利申请量。综上所述，从专利视角来看，脑机接口技术发展始于2000 年前后，国外起步较早，2013 年以后，国内专利申请量反超国外，并占据主导地位。国内专利申请量远超国外，但是目前国内脑机接口技术研究的主力军为大专院校，而国外则主要为企业和个人，相比之下，国内企业在脑机接口专利技术创新方面还需进一步的努力，一方面需要加大研发资金投入，增加技术积累，重视专利战略布局；另一方面可以尝试产学融合，加强与大专院校的技术交流和技术联合研发，取长补短，最大程度发挥各方优势。脑机接口信号采集技术分类根据脑电采集过程对大脑的侵入程度，脑机接口可分为侵入式、非侵入式与半侵入式。侵入式脑机接口使神经信号感应器直接与人脑组织接触，一般需通过手术方式将电极植入大脑，该方式可采集到高质量的脑电信号，具有细胞水平的空间分辨率和时间分辨率，信噪比高，易于信号处理。但手术植入电极的过程，脑补创伤大，容易造成感染和术后并发症，电极后期的维护也较困难。侵入式电极有刚性和柔性两种，刚性电极如脑电极芯片，容易造成组织挫伤；柔性电极如脑电极薄膜，很容易贴合脑组织细胞，目前该领域的研究方向有蚕丝蛋白牺牲层/可注射网格状神经电极技术和生物器件集成柔性电路等。图 2 脑机接口专利申请发展趋势图 3 脑机接口专利技术构成与分布图 4 脑机接口专利申请人分类图 5 脑机接口专利主要申请人-33-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期专利分析图 7 非侵入式脑机接口专利主要申请人半侵入式脑机接口是将电极放置于颅骨之下，在大脑皮层之上，一般也需要通过手术方式置入电极，但该方式与侵入式脑电极置入相比，创口较小，对大脑的损伤降低，易于人们接受。半侵入式脑机接口基于脑皮层表面记录脑电信号，主要采集皮层脑电图（ECoG），其信号质量和介于侵入式和非侵入式之间，信号信噪比较好，可利用性高。非侵入式脑机接口一般佩戴在人体头部周围，如头皮、额头、耳部、眼睛周围等，直接从头皮采集信号，需要采集电极与头皮紧密贴合。由于颅骨和头皮的屏蔽作用导致所采集脑电信号质量不高，信噪比小，后期处理较困难。但该方式无需手术、安全性高、成本低、使用便捷，是目前研究广泛的脑机接口类型。从脑机接口信号采集专利的申请发展趋势来看，非侵入式脑机接口技术发展较早，2011 年开始即进入飞速发展期；侵入式脑机接口发展平稳，2019 年之后出现爆发式增长；半侵入式技术则起步较晚，2019 年之后才引起人们的关注。非侵入式专利申请量占脑机接口信号采集专利总量的50%，侵入式专利申请量占比 41%，半侵入式脑机接口发展较慢，图 6 脑机接口信号采集专利分布专利申请量占比 9%。对国内、外脑机接口专利申请量进行统计，我国在非侵入式、侵入式、半侵入式 3 种类型的脑机接口专利申请量都较为突出，占据申请的优势。非侵入式脑机接口专利分析非侵入式脑机接口主要分为湿电极、干电极和半干电极三种。表 1 非侵入式脑机接口传统脑电极一般采用湿电极，使用时需借助导电液、导电膏、粘附剂等使电极紧贴皮肤，存在佩戴、清理过程复杂的缺陷；常见的干电极有头盔、耳机、头箍、眼镜等类型，使用时无需涂抹液体，方便快速，克服了湿电极的缺陷，但同时也降低了信号采集的质量和稳定性；半干电极则结合了前两者的特点，达到使用便捷和信号质量的均衡，常见的有硅胶、凝胶、海绵等半干电极。从非侵入式脑机接口 3 种类型电极的专利主要申请人排名可以看出，中国申请人占绝对优势，湿电极、半干电极、干电极的专利申请第一名分别为格林泰克、清华大学、神仙科学等申请人。集萃脑机、脑陆科技、上海交大涉及 2 种以上的非侵入式脑机接口电极技术，综合实力表现最强。从专利申请的角度来看，非侵入式脑机接口电极技术的主要发展方向是干电极，占比约 80%，湿电极和半干电极的申请量占 10%。干电极中头盔式、耳机式脑机接口是主要研究方向，半干电极的主要研究方向是改进凝胶，湿电极的主要研究方向是控制导电液流出。非侵入式脑机接口湿电极技术可以使电极与皮肤接触良好，以最大程度减小接触面阻抗，使脑电信号采集充分，提高信噪比，但传统湿电极使用大量导电液，造成头皮、头发中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-34-专利分析图 8 非侵入式脑机接口技术图谱型导电介质的出现，如导电性凝胶、硅胶、胶状海绵等材料，使电极与皮肤之间的阻抗大大减小。目前的主要研究方向是电解质材料或电极涂覆层的研究上，代表性的有，清华大学的专利（CN112886304B）公开了一种以金属化水凝胶和金属化海绵为基体的柔性非嵌入式脑机接口半干电极（图 11左）。集萃脑机的专利（CN215993997U）公开了一种凝胶电极，具有多孔支撑结构，可以快速、无残留地进行脑电采集（图 11 右）。总结本文从专利视角出发，梳理了全球脑机接口专利发展现状，分析了脑机接口专利技术构成、申请人类型和主要申请人等信息，对国内外情况进行了对比，并重点对脑机接口信息采集技术进行解析，着重分析非侵入式脑机接口的技术脉络，勾画三种类型非侵入式脑机接口电极技术图谱。通过分析，专利布局方面，中国虽然在脑机接口专利申请量方面占据主导地位，但国内主要申请人以大专院校为主，国外主要申请人则以企业为主，相比之下，国内企业应更加注重脑机接口的技术和资金投入，提前布局专利，或者通过加强与大专院校的联动，优势互补，提高技术转化水平，才能将我国脑机接口的专利申请优势转化为真正的竞争力。技术路线方面，非侵入式脑机接口是脑机接口信息采集技术的主要方向之一，国内申请人在专利方面有一定的积累，特别是国内综合实力较强的几家公司，在湿电极、半干电极、干电极等方面均有专利布局；半干电极技术虽然发展较晚，但其结合了湿电极和干电极的优点，未来具有广阔的前途，国内有实力的申请人应加大在该领域的投入，积极研发新型导电材料，抢占技术新高地。专利运用转化方面，国内虽然占据专利申请量的优势，但在技术转化和产品实际研发方面还存在短板，近期，关于脑机接口技术在实验方面进展的报道，国外公司占比较多，国内脑机接口实验进度方面还有待推进，一方面国内相关主体应该加强技术沟通，形成专业联盟，及早推出自己的脑机接口标准，强化在该领域的话语权；另一方面国内舆论也要对该新事物有所包容，以科学的态度看待技术创新，允许一定范围内的尝试、挑战和失败。图 11 半干电极相关专利图 10 干电极相关专利图 9 湿电极相关专利粘连，后期处理麻烦，这方面目前的主要研究方向是如何控制导电液流出，既能使导电液完全浸润电极，又能保持使用干洁卫生，使人容易接受。比较有代表性的有，格林泰克科技的专利（CN105011926B）公开了一种具有空腔的电极体，电极头中部具有多孔渗透芯，可以渗透电解质，使电极与皮肤接触良好（图 9 左）。北京机械设备研究所的专利（CN110786852B）公开了一种干湿通用型脑电传感电极，通过导流通道将导电介质引流至电极与头皮之间，可以大幅降低阻抗（图 9 右）。为克服湿电极带来的使用不便问题，人们提出了使用更加便捷的非侵入式脑机接口干电极技术，该技术无需导电液，可直接佩戴，且使用过程干净卫生。但由于干电极与头皮贴合不紧密的问题，使得其采集信号不稳定，且电极与皮肤摩擦产生的信号噪声影响较大，目前这方面的研究是如何使电极紧密贴合头皮，稳定信号采集信道，提高信号采集质量。主要研究方向有改进脑机接口的机械结构、准确定位采集电极位置、改良采集电极等技术路线，其中，对脑机接口机械结构的改进占主导地位，专利申请量较多的有头盔式、耳机式、头箍式脑机接口改进方案。比较有代表性的有，神仙科学的专利（TWM574026U）公开了一种眼镜结构的脑机接口，将电极设置于眼镜镜脚上以探测脑电讯号（图 10 左）。集萃脑机的专利（CN212066710U）公开了一种入发式脑电帽，佩戴时帽子可轻易被头发覆盖或遮掩，美观、自然（图10 中）。脑陆科技的专利（CN217886027U）公开了一种头环式脑电帽，可以适应不同头围的佩戴（图 10 右）。半干电极是近几年才出现的新技术，是介于湿电极和干电极之间取折中的方案，其发展得益于材料技术的进步，新