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I
深企投产业研究院
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目录
一、脑机接口概述 1
二、脑机接口技术类型 2
三、脑机接口发展历程 4
四、脑机接口应用领域 6
(一)医疗健康领域应用 6
(二)非医疗领域应用 8
五、脑机接口技术瓶颈 10
六、行业市场规模 12
七、脑机接口产业链概况 13
(一)产业链整体情况 14
(二)重点环节 16
八、国内外政策支持情况 19
II
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图、表目录
图1狭义的BCI系统示意图 2
图2脑机接口产业链 14
表1全球及我国脑机接口产业链代表企业16
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用意念操控机器、思维永生、机械飞升,科幻作品中对人工智能与生物智能融合的想象,有可能对应着脑机接口、脑机智能的最终版本。从1970年代至今,脑机接口技术从基础研究进入行业应用历经了50多年,预计实现大规模商业化仍需5年至10年,当前在医疗领域为各种神经性疾病带来新的解决方案,并且已有成熟案例。
一、脑机接口概述
脑机接口(BrainComputerInterface,BCI)顾名思义,就是人或动物的大脑(神经系统)与计算机等外部电子设备实现直接信息交互。具体一点说,狭义的脑机接口就是通过采集人的意念,经过算法处理、信号分析,读取人脑不同的状态,比如认知、运动功能以及情绪表现等,将其转化为机器可识别的指令,并支配气动手、机械臂、轮椅、外骨骼机器人等外部器械,实现脑机联合。随着脑机接口发展到脑机交互,进而向智能脑机交互发展,脑机接口的范畴也在不断扩展,脑机接口不仅仅向外部输出指令,也向大脑输入反馈,特别是给予大脑电、磁、光、以及声的输入或刺激等。
脑机接口的原理基础是神经科学。大脑中枢神经元膜电位的变化会产生各种神经电生理信号,可以利用传感器(电极等)采集并放大这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号,通过预处理、依托人工智能等技术提取特征和模式识别,实现对大脑活动状态或意图的解码,并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用
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户,进而调节其大脑活动以获得更好的性能。脑机接口运转包含记录、解码、控制和反馈4个阶段。
脑信号处理、建模与解码
脑信号处理、建模与解码
脑信号特征提取
神经反馈
脑信号预处理
脑信号采集
用户脑活
动
脑活动模式识别与机器学习
控制接口
外部设备
图1狭义的BCI系统示意图
资料来源:中国信通院,深企投产业研究院。
二、脑机接口技术类型
脑机接口可分为输出型和输入型两种。输出型脑机接口较为常见,主要由大脑向外部设备输出通信或控制指令,在不依赖外周神经或肌肉的条件下,把用户的感知觉、表象、认知和思维等直接转化为动作。输入型脑机接口主要由外部设备或机器绕过外周神经或肌肉系统,直接向大脑输入电、磁、声和光等刺激或神经反馈,以调控中枢神经活动,比如在治疗听觉障碍方面,在患者耳部植入小型传声器,将传声器采集到的声音信息通过嵌入听神经的电极传入脑内(人工耳蜗),达到恢复听力的效果。
根据信号采集方式的不同,脑机接口技术可以分为非侵入式、半
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侵入式和侵入式三种类型。对于输出型脑机接口来说,如何获取脑电信号至关重要。人的头部从外向里看,依次是头皮、颅骨、硬脑膜、大脑皮层等结构,传感器(电极)的植入位置越深,采集到的脑电信号质量越好、频率越高,但受试者的安全风险越大。基于不同的研发理念和考量,以有创、无创以及创伤大小为分界,产生了不同的技术路径:
非侵入式(或称“非植入式”)脑机接口。是指无需通过侵入大脑,将脑机接口装置放在头皮上,只需通过穿戴设备(如脑电帽、近红外头盔或磁共振头线圈等)测量大脑的电活动或代谢活动。非侵入式脑机接口不会破坏人的身体和组织,只在头皮表面采集极其细微的大脑信号,具有可动态监测全脑信号、系统简单易操作、生物相容性和安全性好、成本低等特点。但由于隔着颅骨和头皮,只能采集到低频(20赫兹以下)的脑内神经脉冲,获得的脑电信号容易受到外界干扰、掺杂大量噪音,信号质量和分辨率较低,对信号感知处理技术要求高。非侵入式脑机接口使用门槛较低,可采用的信号种类更加丰富,形成了基于脑电(EEG)、脑磁(MEG)、功能性近红外(fNIRS)和功能性磁共振成像(fMRI)的脑机接口系统,其中基于脑电的脑机接口系统因其时间分辨率高、设备价格低廉、使用便携性高等方面的优势,成为非侵
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