脑 机 接 口 技 术 在 医 疗 健 康 领 域 应 用 白 皮 书（ 2021 年 ） 中 国 人 工 智 能 产 业 发 展 联 盟2021年 7月 I 前 言随 着 人 工 智 能 技 术 的 发 展 ， 机 器 智 能 得 到 了 飞 速 的 提 升 ， 但 仍 与 人 脑 所 具备 的 自 主 意 识 和 思 考 创 新 能 力 有 着 很 大 的 差 距 。 另 一 方 面 ， 随 着 脑 科 学 的 深 入研 究 ， 人 们 对 人 类 智 能 的 认 知 与 神 经 科 学 基 础 有 了 更 好 的 理 解 ， 这 可 以 启 发 并进 一 步 提 升 机 器 的 智 能 。 人 工 智 能 和 脑 科 学 的 交 叉 融 合 发 展 为 机 器 智 能 与 人 类智 能 的 融 合 提 供 了 可 能 。 因 此 ， 在 可 预 见 的 未 来 ， 人 类 智 能 与 机 器 智 能 将 逐 步融 为 一 体 ， 充 分 发 挥 机 器 的 存 储 和 运 算 能 力 ， 融 合 人 脑 的 思 维 与 创 新 能 力 ， 以推 动 人 工 智 能 达 到 一 个 更 高 的 层 次 脑 机 智 能 融 合 。 实 现 脑 机 智 能 融 合 的 关键 技 术 环 节 之 一 是 实 现 人 脑 与 机 器 之 间 的 信 息 交 互 ， 即 脑 机 接 口 （ Brain-computer interface,BCI） 技 术 。脑 机 接 口 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 肉的 交 流 与 控 制 通 道 ， 从 而 实 现 大 脑 与 外 部 设 备 的 直 接 交 互 。 该 技 术 能 够 在 人 （ 或其 他 动 物 ） 脑 与 外 部 环 境 之 间 建 立 沟 通 以 达 到 控 制 设 备 的 目 的 ， 进 而 起 到 监 测 、替 代 、 改 善 /恢 复 、 增 强 、 补 充 的 作 用 。 近 年 来 ， 世 界 各 国 逐 渐 重 视 脑 科 学 研 究 ，相 继 启 动 各 自 的 脑 科 学 相 关 科 技 规 划 ， 全 球 范 围 内 大 量 投 入 对 脑 科 学 研 究 ， 这些 能 够 极 大 地 增 进 人 类 对 大 脑 如 何 工 作 以 及 如 何 治 疗 脑 部 疾 病 的 理 解 。 脑 机 接口 是 脑 科 学 和 类 脑 智 能 研 究 的 重 要 方 向 ， 已 上 升 为 国 家 的 科 技 战 略 重 点 或 力 推的 核 心 科 技 发 展 领 域 。 随 着 神 经 科 学 、 生 物 兼 容 性 材 料 、 传 感 器 、 大 数 据 和 人 工 智 能 等 技 术 的 进 步 ， 以 及 以 Neuralink等 创 新 技 术 投 资 公 司 为 代 表 的 全 新 研 究力 量 的 加 入 ， 脑 机 接 口 技 术 进 入 了 快 速 发 展 阶 段 ， 在 信 号 获 取 和 处 理 、 解 码 算法 和 系 统 实 现 等 关 键 技 术 领 域 取 得 了 很 多 突 破 性 进 展 。白 皮 书 通 过 以 下 章 节 从 技 术 和 政 策 层 面 分 析 并 总 结 脑 机 接 口 关 键 技 术 、 脑机 接 口 政 策 分 析 、 脑 机 接 口 在 医 疗 健 康 领 域 的 典 型 应 用 场 景 、 优 秀 应 用 案 例 （ 详见 附 录 一 ） 。 在 此 基 础 上 ， 分 析 脑 机 接 口 产 业 发 展 现 状 和 面 临 的 挑 战 ， 并 给 出 II 发 展 建 议 。 白 皮 书 旨 在 为 我 国 脑 机 接 口 技 术 和 产 业 发 展 提 供 参 考 和 引 导 ， 共 同推 动 产 业 合 作 ， 推 动 行 业 健 康 快 速 发 展 。 希 望 通 过 此 白 皮 书 提 供 有 价 值 的 分 析和 总 结 ， 为 脑 机 接 口 技 术 工 作 者 提 供 参 考 ， 也 可 以 作 为 相 关 产 品 和 服 务 提 供 商的 参 考 依 据 。 由 于 时 间 仓 促 ， 水 平 所 限 ， 我 们 的 工 作 还 有 不 足 之 处 。 下 一 步 ，我 们 还 将 广 泛 采 纳 各 方 面 的 建 议 ， 进 一 步 深 入 相 关 研 究 ， 持 续 完 善 白 皮 书 内 容 ，在 已 有 版 本 的 基 础 上 ， 适 时 修 订 发 布 新 版 。 我 们 诚 邀 各 界 专 家 学 者 参 与 我 们 的研 究 工 作 ， 积 极 献 言 献 策 ， 为 促 进 脑 机 接 口 产 业 发 展 做 出 积 极 贡 献 。 如 您 有 意愿 ， 请 联 系 我 们 ： 。本 白 皮 书 版 权 属 于 中 国 人 工 智 能 产 业 发 展 联 盟 ， 并 受 法 律 保 护 。 转 载 、 摘 编 或 利 用 其 它 方 式 使 用 本 白 皮 书 文 字 或 者 观 点 的 ， 应 注 明 “ 来 源 ： 中 国 人 工 智能 产 业 发 展 联 盟 ” 。 III 编 制 说 明牵 头 编 写 单 位 ： 中 国 信 息 通 信 研 究 院参 与 编 写 单 位 ： 清 华 大 学 、 天 津 大 学 、 复 旦 大 学 、 首 都 医 科 大 学 附 属 北 京 天 坛医 院 、 首 都 医 科 大 学 宣 武 医 院 、 昆 明 理 工 大 学 、 博 睿 康 科 技 （ 常 州 ） 股 份 有 限公 司 、 中 国 科 学 院 半 导 体 研 究 所 、 中 国 医 学 科 学 院 生 物 医 学 工 程 研 究 所 、 北 京邮 电 大 学 、 浙 江 强 脑 科 技 有 限 公 司 、 中 电 云 脑 (天 津 )科 技 有 限 公 司 、 科 斗 （ 苏州 ） 脑 机 科 技 有 限 公 司 、 腾 讯 云 计 算 （ 北 京 ） 有 限 责 任 公 司编 写 组 成 员 ：中 国 信 息 通 信 研 究 院 ： 闵 栋 、 李 静 雯 、 王 秀 梅 、 徐 贵 宝 、 李 曼 清 华 大 学 ： 高 小 榕 、 洪 波 、 张 丹天 津 大 学 ： 明 东 、 许 敏 鹏 、 刘 爽复 旦 大 学 ： 王 守 岩首 都 医 科 大 学 附 属 北 京 天 坛 医 院 ： 何 江 弘 、 赵 元 立首 都 医 科 大 学 宣 武 医 院 ： 赵 国 光 、 唐 毅 、 王 长 明昆 明 理 工 大 学 ： 伏 云 发 、 田 贵 鑫 、 罗 建 功 、 丁 鹏博 睿 康 科 技 （ 常 州 ） 股 份 有 限 公 司 ： 胥 红 来 、 黄 肖 山 、 刘 涛 、 李 佳 斌中 国 科 学 院 半 导 体 研 究 所 ： 王 毅 军中 国 医 学 科 学 院 生 物 医 学 工 程 研 究 所 ： 陈 小 刚 北 京 邮 电 大 学 ： 杨 晨浙 江 强 脑 科 技 有 限 公 司 ： 韩 璧 丞 、 范 芳 芳中 电 云 脑 (天 津 )科 技 有 限 公 司 ： 程 龙 龙 、 袁 丁 、 苏 雪 寒科 斗 （ 苏 州 ） 脑 机 科 技 有 限 公 司 ： 杨 全 威腾 讯 云 计 算 （ 北 京 ） 有 限 责 任 公 司 ： 黄 超 IV 目 录前 言 .I编 制 说 明 .III目 录 .IV图 表 目 录 .VI1 脑 机 接 口 技 术 概 述 .11.1 技 术 背 景 .11.2 发 展 历 史 .61.3 技 术 介 绍 .101.3.1 脑 机 接 口 原 理 与 系 统 构 成 .10 1.3.2 脑 机 接 口 技 术 的 分 类 .151.3.3 脑 机 接 口 技 术 的 应 用 方 向 .212 脑 机 接 口 政 策 分 析 .242.1 美 国 脑 计 划 中 的 脑 机 接 口 研 究 规 划 .242.2 欧 盟 脑 计 划 中 的 脑 机 接 口 研 究 规 划 .262.3 日 本 脑 计 划 中 的 脑 机 接 口 研 究 规 划 .272.4 韩 国 脑 计 划 中 的 脑 机 接 口 研 究 规 划 .272.5 澳 大 利 亚 脑 计 划 中 的 脑 机 接 口 研 究 规 划 .282.6 中 国 脑 计 划 中 的 脑 机 接 口 研 究 规 划 .282.7 脑 机 接 口 其 他 相 关 政 策 .30 3 脑 机 接 口 技 术 在 医 疗 健 康 领 域 的 应 用 场 景 分 析 .313.1 脑 机 接 口 技 术 在 肢 体 运 动 障 碍 诊 疗 中 的 应 用 .313.2 脑 机 接 口 技 术 在 意 识 与 认 知 障 碍 诊 疗 中 的 应 用 .333.3 脑 机 接 口 技 术 在 精 神 疾 病 诊 疗 中 的 应 用 .353.4 脑 机 接 口 技 术 在 感 觉 缺 陷 诊 疗 中 的 应 用 .363.5 脑 机 接 口 技 术 在 癫 痫 和 神 经 发 育 障 碍 诊 疗 中 的 应 用 .374 脑 机 接 口 技 术 的 发 展 与 挑 战 .404.1 脑 机 接 口 技 术 的 产 业 环 境 分 析 .404.2 脑 机 接 口 技 术 的 产 业 现 状 .414.3 脑 机 接 口 技 术 和 产 业 的 挑 战 和 发 展 建 议 .49 4.3.1 脑 机 接 口 技 术 和 产 业 的 挑 战 .494.3.2 我 国 脑 机 接 口 产 业 的 发 展 建 议 .505 结 束 语 .53参 考 文 献 .54附 录 一 ： 脑 机 接 口 技 术 优 秀 应 用 案 例 .57一 . 国 产 自 主 研 发 脑 机 接 口 系 统 优 秀 案 例 .57 V 案 例 一 ： 博 睿 康 面 向 脑 机 接 口 应 用 的 国 产 高 性 能 脑 电 采 集 系 统 .57案 例 二 ： 清 华 大 学 微 创 植 入 闭 环 脑 机 接 口 系 统 .59案 例 三 ： 中 电 云 脑 无 创 脑 机 接 口 采 集 专 用 芯 片 .60二 . 脑 机 接 口 技 术 在 医 疗 健 康 领 域 的 优 秀 应 用 案 例 .61案 例 一 ： 天 津 大 学 “ 神 工 一 号 ” 人 工 神 经 康 复 机 器 人 .61案 例 二 ： 宣 武 医 院 “ 重 拾 行 走 计 划 ” .64案 例 三 ： 天 坛 医 院 应 用 脑 机 接 口 技 术 检 出 意 识 障 碍 患 者 的 大 脑 隐 匿 意 识 .66案 例 四 ： 天 津 大 学 等 人 工 耳 蜗 儿 童 听 觉 康 复 客 观 评 估 技 术 .68案 例 五 ： 昆 明 理 工 大 学 基 于 脑 机 交 互 的 神 经 反 馈 促 进 创 伤 后 应 激 障 碍 康 复 技 术 .69案 例 六 ： 强 脑 科 技 孤 独 症 儿 童 可 穿 戴 脑 电 波 康 复 系 统 .72 VI 图 表 目 录图 1 传 统 或 狭 义 的 BCI 系 统 示 意 图 .1图 2 输 入 式 BCI 示 意 图 .2图 3（ a） 脑 机 接 口 所 利 用 的 电 生 理 信 号 的 记 录 位 置 ； （ b） 三 种 不 同 的 检 测 大 脑 电 活 动 方 式 .12图 4 脑 机 接 口 分 类 示 意 图 .15图 5 不 同 脑 信 号 采 集 技 术 的 分 辨 率 .17图 6 混 合 脑 机 接 口 类 型 示 意 图 . 20图 7 按 年 度 划 分 的 联 邦 BRAIN 计 划 资 金 . 25 图 8 人 类 脑 计 划 （ HBP） 时 空 多 尺 度 和 多 模 态 的 技 术 手 段 . 26图 9 中 国 脑 计 划 框 架 图 . 29图 10 高 性 能 脑 电 采 集 系 统 . 57图 11 高 性 能 脑 机 接 口 应 用 示 例 . 58图 12 微 创 植 入 闭 环 脑 机 接 口 系 统 （ a） 原 理 图 （ b） 系 统 示 意 图 .59图 13 脑 机 编 解 码 集 成 芯 片 “ 脑 语 者 ” .61图 14 国 产 脑 电 采 集 芯 片 .61图 15“ 神 工 ” 系 列 人 工 神 经 康 复 机 器 人 系 统 及 原 理 .62图 16 典 型 患 者 经 “ 神 工 ” 治 疗 前 后 字 迹 对 比 .63图 17 基 于 脑 机 接 口 的 康 复 训 练 .65 图 18 案 例 中 病 患 使 用 脑 机 接 口 设 备 “ 实 现 交 流 .67图 19 CI 儿 童 脑 电 采 集 现 场 .68图 20 不 同 植 入 时 间 的 CI 儿 童 皮 层 激 活 状 态 .68图 21（ a） 基 于 脑 机 交 互 的 多 模 态 神 经 反 馈 促 进 PTSD 患 者 康 复 的 系 统 ； （ b） 干 预 流 程 .70图 22 开 心 果 儿 童 健 脑 系 统 产 品 （ a） 实 景 图 ;（ b） 原 理 图 ;（ c） 应 用 实 例 . 73表 1 脑 机 接 口 技 术 国 内 外 主 要 研 究 机 构 .42表 2 脑 机 接 口 主 要 芯 片 厂 商 .45表 3 脑 机 接 口 技 术 在 医 疗 健 康 领 域 的 主 要 应 用 产 品 .45 1 1 脑 机 接 口 技 术 概 述1.1 技 术 背 景随 着 脑 机 接 口 （ Brain-computerinterface,BCI） 的 发 展 ， 其 内 涵 和 外 延 也 在不 断 丰 富 。 传 统 或 狭 义 的 BCI是 指 利 用 中 枢 神 经 系 统 产 生 的 信 号 ， 在 不 依 赖 外周 神 经 或 肌 肉 的 条 件 下 ， 把 用 户 或 被 试 的 感 知 觉 、 表 象 、 认 知 和 思 维 等 直 接 转化 为 动 作 ， 在 大 脑 （ 含 人 与 动 物 脑 ） 与 外 部 设 备 之 间 建 立 直 接 的 交 流 和 控 制 通道 123， 其 目 的 主 要 是 为 疾 病 患 者 、 残 障 人 士 和 健 康 个 体 提 供 可 选 的 与 外 部世 界 通 信 和 控 制 的 方 式 ， 以 改 善 或 进 一 步 提 高 他 们 的 生 活 质 量 45。 这 类 BCI系 统 主 要 由 大 脑 向 外 部 设 备 输 出 通 信 或 控 制 指 令 （ 输 出 式 BCI） ， 并 把 结 果 通 过 神 经 反 馈 给 用 户 或 被 试 形 成 闭 环 以 调 节 其 脑 活 动 信 号 ， 从 而 提 升 脑 机 交 互 的性 能 ， 如 图 所 示 。 图 1 传 统 或 狭 义 的 BCI 系 统 示 意 图除 此 而 外 ， 还 有 另 一 类 BCI， 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 的 刺 激 等 或 神 经 反 馈 （ 输 入 式 BCI） ， 以调 控 中 枢 神 经 活 动 ， 如 深 部 脑 刺 激 （ Deepbrainstimulation， DBS） 、 经 颅 磁 刺 2 激 （ TranscranialMagneticStimulation， TMS） 、 经 颅 直 流 /交 流 电 刺 激 （ Transcranialdirect/alternatingcurrentstimulation， tDCS/tACS） 和 经 颅 超 声 刺 激 （ Transcranialultrasoundstimulation， TUS） 等 ， 如 图 所 示 。 （ a） （ b） （ c）图 2 输 入 式 BCI 示 意 图 。 （ a） 基 于 各 种 脑 刺 激 的 BCI。 该 类 BCI 主 要 由 外 部 设 备 或 机 器 向 大 脑 输 入 电 、 磁 、声 、 光 等 刺 激 ； （ b） DBS 示 意 图 ； （ c） 基 于 非 侵 入 式 脑 刺 激 或 DBS的 BCI 设 置 以 促 进 或 调 节 长 程 皮 层 -皮 层和 皮 层 -皮 层 下 连 接 可 塑 性 示 意 图 67 3 广 义 的 BCI包 含 上 述 狭 义 的 输 出 式 BCI和 输 入 式 BCI， 实 际 上 ， 这 两 类 BCI均 可 以 由 神 经 反 馈 构 成 交 互 式 的 闭 环 系 统 （ 即 交 互 式 BCI） ， 主 要 看 是 以 输 出式 为 主 还 是 以 输 入 式 为 主 ， 取 决 于 所 设 计 BCI的 主 要 功 效 。 随 着 BCI的 深 入 发展 ， 出 现 了 BCI医 学 ， 特 别 是 BCI的 哥 白 尼 革 命 ： 从 环 境 控 制 到 监 测 大 脑 变 化 7，这 为 人 脑 状 态 监 测 （ 如 癫 痫 发 作 监 测 和 疲 劳 监 测 等 ） 与 调 控 康 复 等 多 种 功 效 的BCI提 供 了 新 途 径 。 不 同 类 型 的 BCI有 不 同 的 应 用 ， 在 本 白 皮 书 中 不 同 的 部 分或 场 合 会 使 用 或 侧 重 不 同 的 BCI定 义 ， 不 再 特 别 声 明 ， 可 根 据 具 体 内 容 理 解 。在 脑 机 接 口 中 ， 采 集 中 枢 神 经 信 号 以 监 测 大 脑 活 动 的 方 法 有 多 种 ， 如 脑 电（ Electroencephalogram, EEG） 、 功 能 近 红 外 光 谱 （ functional near-infrared spectroscopy， fNIRS） 和 功 能 磁 共 振 成 像 （ functionalmagneticresonanceimaging，fMRI） 等 ， 原 则 上 均 可 作 为 脑 机 接 口 的 输 入 信 号 。 在 这 些 监 测 大 脑 活 动 的 方 法中 ， 脑 电 因 无 创 、 时 间 分 辨 率 高 、 设 备 价 格 低 廉 等 优 点 成 为 脑 机 接 口 研 究 采 用最 多 的 信 号 ， 也 是 最 早 作 为 脑 机 接 口 的 输 入 信 号 。脑 电 研 究 可 以 追 溯 至 上 世 纪 二 十 年 代 ， 德 国 精 神 科 医 生 HansBerger博 士 首次 证 明 了 放 置 在 大 脑 头 皮 的 电 极 能 够 测 量 反 映 大 脑 活 动 的 电 流 ， “脑 电 图 ”的 概念 自 此 产 生 。 尽 管 这 是 世 界 上 第 一 次 脑 电 记 录 ， 但 由 于 当 时 用 于 测 量 和 处 理 脑信 号 的 必 要 技 术 以 及 对 脑 功 能 理 解 的 局 限 性 ， 并 没 有 引 起 人 们 的 足 够 重 视 。 在之 后 近 三 十 年 时 间 里 ， 随 着 脑 电 研 究 持 续 发 展 ， 神 经 生 理 学 家 积 累 了 涵 盖 多 种 实 验 条 件 下 的 大 量 脑 电 数 据 。在 二 十 世 纪 六 十 年 代 ， 随 着 计 算 机 开 始 应 用 于 生 产 和 生 活 ， 使 得 处 理 大 量的 脑 电 数 据 成 为 可 能 。 另 一 方 面 ， 随 着 对 脑 电 信 号 理 解 的 深 入 ， 开 始 出 现 了 将大 脑 活 动 用 作 信 息 交 流 通 道 和 信 息 载 体 的 想 法 。 JosephKamiya 在 1968年 指 出脑 电 活 动 的 特 征 （ Kamiya认 为 是 alpha波 ） 经 过 一 些 训 练 后 有 可 能 被 人 们 所 调节 ， 开 启 了 神 经 反 馈 领 域 的 研 究 。 但 在 这 一 时 期 ， 用 脑 电 波 控 制 设 备 仍 被 认 为是 纯 粹 的 科 幻 小 说 。 4 到 二 十 世 纪 七 十 年 代 ， 人 们 已 对 脑 电 有 了 较 为 深 入 的 理 解 ， 认 识 到 脑 电 的主 要 频 率 成 分 集 中 于 30Hz以 下 ， 并 且 特 定 的 脑 电 节 律 （ 如 alpha节 律 ） 会 随 大脑 状 态 的 变 化 而 出 现 或 消 失 。 研 究 者 进 一 步 发 现 两 个 或 多 个 电 极 上 获 取 的 脑 电信 号 表 现 出 不 同 的 相 关 性 ， 反 映 了 大 脑 内 部 不 同 脑 区 神 经 元 活 动 之 间 的 协 同 关系 。 以 上 脑 电 频 谱 和 相 关 性 与 各 种 脑 状 态 、 情 绪 和 行 为 状 态 相 关 。 研 究 者 根 据大 脑 对 特 定 刺 激 是 否 有 反 应 ， 把 脑 电 信 号 分 为 自 发 脑 电 和 诱 发 脑 电 ， 自 发 脑 电是 在 安 静 的 、 没 有 特 殊 刺 激 条 件 下 或 者 在 连 续 恒 定 负 荷 的 条 件 （ 如 阅 读 状 态 ）下 稳 定 变 化 的 脑 电 活 动 （ 非 锁 时 的 ） ， 表 现 为 一 种 整 体 活 动 或 背 景 活 动 ； 而 诱发 脑 电 （ 又 称 为 诱 发 电 位 或 事 件 相 关 电 位 ） 是 大 脑 在 外 界 特 定 刺 激 或 主 动 思 维 （ 内 部 特 定 刺 激 ） 下 产 生 的 与 每 次 刺 激 相 应 的 变 化 （ 锁 时 的 ） ， 这 种 变 化 通 常淹 埋 在 自 发 脑 电 中 ， 具 有 潜 伏 期 和 波 形 相 对 恒 定 两 个 特 点 。 刺 激 的 特 征 与 刺 激“环 境 ”（ 如 受 试 者 的 注 意 力 水 平 ） 、 期 望 以 及 在 实 验 背 景 下 刺 激 的 含 义 共 同 决定 诱 发 电 位 的 波 形 。正 是 基 于 上 述 理 解 ， 在 美 国 国 家 科 学 基 金 会 （ NationalScienceFoundation）和 美 国 国 防 高 级 研 究 计 划 局 （ US Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA） 的 先 后 资 助 下 ， 加 州 大 学 洛 杉 矶 分 校 的 JacquesJ.Vidal于 1973年 首 次在 科 学 文 献 中 提 出 “脑 机 接 口 ”这 一 专 业 术 语 ， 并 提 出 了 一 个 关 键 问 题 ： 能 否 将这 些 可 观 测 的 脑 电 信 号 用 作 人 机 通 信 中 的 信 息 载 体 或 控 制 诸 如 假 肢 或 宇 宙 飞 船 之 类 的 外 部 设 备 ？ 他 推 测 “即 使 仅 以 当 时 计 算 机 科 学 和 神 经 生 理 学 的 现 状 为 基础 ， 也 预 示 着 这 样 的 壮 举 可 能 即 将 来 临 ”。 1977年 ， JacquesJ.Vidal在 实 验 室 搭建 了 一 个 基 于 视 觉 诱 发 电 位 的 脑 机 接 口 系 统 ， 但 在 之 后 的 相 当 长 一 段 时 间 里 ，该 领 域 的 研 究 并 未 取 得 明 显 进 展 。 在 二 十 世 纪 七 十 年 代 ， 实 现 脑 机 接 口 技 术 是一 项 艰 巨 的 任 务 ， 它 需 要 神 经 生 理 学 （ 以 识 别 心 理 状 态 与 外 部 信 号 中 决 策 的 关联 性 ） 、 信 号 分 析 技 术 （ 从 达 到 头 皮 的 杂 乱 信 号 中 识 别 相 关 的 信 息 载 体 ） 、 计 5 算 机 科 学 （ 在 脑 信 号 所 限 定 的 时 间 内 开 发 合 适 的 软 件 ） 等 领 域 取 得 较 大 进 展 才能 得 以 推 动 。近 二 十 年 来 ， 神 经 科 学 研 究 已 使 人 们 对 大 脑 有 了 更 好 的 了 解 ， 并 且 信 号 处理 算 法 和 计 算 能 力 飞 速 发 展 ， 使 得 实 时 处 理 复 杂 的 脑 信 号 不 再 需 要 昂 贵 或 笨 重的 设 备 ， 从 而 促 进 了 脑 机 接 口 的 加 速 研 究 和 开 发 应 用 。 在 专 业 期 刊 和 会 议 上 发表 的 脑 机 接 口 相 关 科 学 论 文 的 数 量 显 著 增 加 。 当 前 ， 世 界 各 地 的 政 府 、 大 学 、研 究 机 构 和 企 业 陆 续 开 展 了 脑 机 接 口 相 关 的 研 究 项 目 ， 全 球 脑 机 接 口 研 究 的 规模 增 长 显 著 。 这 主 要 得 益 于 以 下 几 个 方 面 ： 基 础 科 学 技 术 的 持 续 进 步 ； 对 修 复神 经 系 统 的 解 决 方 案 的 需 求 不 断 增 加 ； 全 球 人 口 老 龄 化 的 增 加 ， 需 要 解 决 与 年 龄 相 关 的 神 经 退 行 性 疾 病 和 脑 机 接 口 “辅 助 ”技 术 问 题 ； 对 非 医 学 应 用 脑 机 接 口的 商 业 需 求 。脑 机 接 口 经 过 近 五 十 年 的 创 新 研 究 与 发 展 ， 在 脑 信 号 获 取 的 手 段 、 解 码 算法 以 及 应 用 范 围 等 方 面 都 得 到 了 极 大 地 拓 展 ， 脑 机 接 口 的 定 义 也 不 断 被 扩 展 ，但 其 仍 然 是 一 个 比 较 新 的 概 念 ， 目 前 还 没 有 一 个 完 全 获 得 学 术 界 公 认 的 确 切 定义 。 近 年 来 ， 较 多 文 章 引 用 的 定 义 是 由 JonathanR.Wolpaw等 人 于 2012年 提 出的 ： 脑 机 接 口 是 一 种 测 量 中 枢 神 经 系 统 活 动 并 将 其 转 换 为 替 代 、 恢 复 、 增 强 、补 充 或 改 善 自 然 中 枢 神 经 系 统 输 出 的 系 统 ， 以 改 变 中 枢 神 经 系 统 与 其 外 部 /内 部环 境 正 在 进 行 的 交 互 。 随 着 脑 机 接 口 发 展 到 脑 机 交 互 ， 进 而 向 智 能 脑 机 交 互 发 展 ， 可 预 见 的 将 来 是 脑 机 智 能 融 合 ， 脑 机 接 口 的 定 义 和 范 畴 也 不 断 充 实 和 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 89。 因 此 ， 如 前 所 述 ， 从 广 义 上 讲 ， 深 部 脑 刺 激（ DBS） 、 经 颅 磁 刺 激 （ TMS） 、 经 颅 交 流 电 刺 激 （ tACS） 、 经 颅 直 流 电 刺 激（ tDCS） 和 经 颅 超 声 刺 激 （ tUS） 等 均 属 于 脑 机 接 口 范 畴 。脑 机 接 口 是 一 个 跨 学 科 交 叉 研 究 领 域 ， 其 中 ， 与 生 命 科 学 相 关 的 学 科 领 域包 括 基 础 神 经 科 学 、 认 知 科 学 和 心 理 学 等 ； 与 医 学 科 学 相 关 的 学 科 领 域 包 括 神 6 经 系 统 、 影 像 医 学 （ 包 括 脑 成 像 ） 、 生 物 医 学 工 程 、 神 经 工 程 和 康 复 医 学 等 ；与 信 息 科 学 相 关 的 学 科 领 域 包 括 计 算 机 科 学 与 技 术 、 自 动 化 与 机 器 人 技 术 、 人工 智 能 （ AI） 技 术 和 半 导 体 集 成 电 路 技 术 等 ； 与 材 料 科 学 相 关 的 学 科 领 域 等 。1.2 发 展 历 史脑 机 接 口 的 研 究 可 以 追 溯 至 二 十 世 纪 七 十 年 代 ， 经 过 近 五 十 年 的 研 究 ， 脑机 接 口 技 术 的 发 展 经 历 了 三 个 阶 段 ： 科 学 幻 想 阶 段 、 科 学 论 证 阶 段 、 技 术 爆 发阶 段 。 目 前 ， 脑 机 接 口 技 术 正 处 于 第 三 个 阶 段 技 术 爆 发 阶 段 。在 二 十 世 纪 七 十 年 代 至 八 十 年 代 初 期 ， 脑 机 接 口 技 术 处 于 发 展 的 第 一 阶 段 ，即 科 学 幻 想 阶 段 ， 提 出 了 “脑 机 接 口 ”这 一 专 业 术 语 。 1977年 ， JacquesJ.Vidal 开 发 了 基 于 视 觉 事 件 相 关 电 位 的 脑 机 接 口 系 统 ， 通 过 注 视 同 一 视 觉 刺 激 的 不 同位 置 实 现 了 对 4种 控 制 指 令 的 选 择 ； 1980年 ， 德 国 学 者 提 出 了 基 于 皮 层 慢 电 位的 脑 机 接 口 系 统 。 受 限 于 当 时 的 技 术 条 件 ， 这 一 阶 段 的 脑 机 接 口 研 究 并 未 取 得明 显 进 展 。在 二 十 世 纪 八 十 年 代 末 至 九 十 年 代 末 ， 脑 机 接 口 技 术 处 于 发 展 的 第 二 阶 段 ，即 科 学 论 证 阶 段 。 来 自 美 国 和 欧 洲 的 少 数 先 驱 研 发 了 首 个 实 时 且 可 行 的 脑 机 接口 系 统 ， 并 定 义 了 至 今 仍 在 采 用 的 几 种 主 要 范 式 ， 开 拓 了 脑 机 接 口 领 域 。 1988年 ， L.A.Farwell和 E.Donchin提 出 了 著 名 且 广 泛 使 用 的 脑 机 接 口 范 式 ， 即 “P300拼 写 器 ”。 尽 管 基 于 该 范 式 的 系 统 仅 在 健 康 受 试 者 上 进 行 了 测 试 ， 但 研 究 表 明 该 系 统 有 望 帮 助 严 重 瘫 痪 患 者 与 环 境 进 行 通 信 和 交 互 。 实 际 上 ， 当 时 脑 机 接 口 研究 背 后 的 主 要 驱 动 力 （ 仍 然 是 当 前 的 主 要 动 力 ） 正 是 期 望 将 其 用 作 运 动 障 碍 患者 的 新 型 辅 助 技 术 ， 尤 其 是 对 于 那 些 可 能 无 法 使 用 其 他 任 何 替 代 方 案 的 患 者 。同 年 ， StevoBozinovski等 人 报 道 了 利 用 脑 电 alpha波 控 制 移 动 机 器 人 ， 这 是 首个 利 用 脑 电 进 行 机 器 人 控 制 的 研 究 。 不 久 之 后 ， 美 国 和 欧 洲 的 研 究 者 都 开 发 出了 基 于 感 觉 运 动 节 律 的 脑 机 接 口 系 统 。 研 究 人 员 根 据 操 作 性 条 件 作 用 开 发 了 用 7 于 控 制 一 维 光 标 的 脑 机 接 口 ， 利 用 该 方 法 ， 通 过 向 用 户 实 时 反 馈 感 觉 运 动 节 律活 动 ， 训 练 用 户 学 会 自 我 调 节 其 感 觉 运 动 节 律 的 幅 度 ， 以 实 现 向 上 或 向 下 移 动小 球 。 与 此 同 时 ， GertPfurtscheller等 人 开 发 了 另 一 种 基 于 感 觉 运 动 节 律 的 脑 机接 口 ， 用 户 必 须 明 确 地 想 象 左 手 或 右 手 运 动 ， 并 可 以 通 过 机 器 学 习 将 其 转 换 为计 算 机 命 令 ， 这 定 义 了 基 于 运 动 想 象 （ MI） 的 脑 机 接 口 。 1992年 ErichE.Sutter提 出 了 一 种 高 效 的 基 于 视 觉 诱 发 电 位 的 脑 机 接 口 系 统 ， 在 该 系 统 中 ， 设 计 了 88拼 写 器 ， 利 用 从 视 觉 皮 层 采 集 的 视 觉 诱 发 电 位 识 别 用 户 眼 睛 的 注 视 方 向 来 确 定他 选 择 拼 写 器 中 哪 个 符 号 。 这 项 研 究 是 基 于 视 觉 诱 发 电 位 脑 机 接 口 的 首 次 临 床应 用 ， 肌 萎 缩 侧 索 硬 化 症 患 者 可 以 利 用 该 系 统 实 现 高 于 10个 单 词 /分 钟 的 通 信 速 度 。 除 了 上 述 提 及 的 脑 机 接 口 知 名 研 究 外 ， 在 此 期 间 ， 还 有 其 他 一 些 研 究 在 脑机 接 口 界 受 到 的 关 注 较 少 。 例 如 ， JosePrincipe等 人 也 开 发 了 基 于 事 件 相 关 电 位的 脑 机 接 口 系 统 ， 即 皮 层 鼠 标 ， 基 于 N400用 户 能 够 对 一 致 或 不 一 致 的 刺 激 作 出响 应 ， 在 两 个 指 令 中 选 择 意 图 指 令 。 1995年 ， GrantR.McMillan等 人 提 出 了 基于 稳 态 视 觉 诱 发 电 位 （ steady-statevisualevokedpotentials， SSVEP） 的 脑 机 接 口 ，受 试 者 通 过 生 物 反 馈 可 以 学 会 增 加 或 降 低 稳 态 视 觉 诱 发 电 位 的 幅 度 ， 可 以 把 这些 响 应 转 换 为 控 制 物 理 设 备 或 计 算 机 程 序 操 作 的 指 令 。 1999年 ， 在 美 国 举 行 了第 一 届 国 际 脑 机 接 口 会 议 ， 来 自 22个 研 究 团 队 约 50名 参 会 者 参 加 此 次 会 议 。 这 一 时 期 的 工 作 仍 由 欧 美 学 者 主 导 ， 主 要 关 注 非 侵 入 式 脑 机 接 口 研 究 ， 为 脑 机接 口 研 究 奠 定 了 重 要 基 础 。进 入 二 十 一 世 纪 以 来 ， 脑 机 接 口 技 术 处 于 发 展 的 第 三 阶 段 ， 即 技 术 爆 发 阶段 。 这 一 阶 段 主 要 聚 焦 于 实 现 脑 机 接 口 的 技 术 路 线 ， 发 展 各 种 各 样 的 技 术 方 法 ，以 及 推 动 脑 机 接 口 的 应 用 。 在 二 十 一 世 纪 前 十 年 ， 脑 机 接 口 发 展 成 为 一 个 研 究领 域 ， 更 多 研 究 人 员 的 加 入 推 动 了 脑 机 接 口 迅 速 发 展 。 新 型 的 脑 机 接 口 实 验 范式 相 继 涌 现 ， 如 听 觉 脑 机 接 口 、 言 语 脑 机 接 口 、 情 感 脑 机 接 口 、 以 及 混 合 脑 机 8 接 口 。 在 算 法 研 究 方 面 ， 先 进 的 脑 电 信 号 处 理 和 机 器 学 习 算 法 被 应 用 于 脑 机 接口 ， 如 共 空 间 模 式 算 法 、 xDAWN算 法 等 。 新 型 的 脑 信 号 获 取 技 术 相 继 应 用 于 脑机 接 口 研 究 ， 如 功 能 磁 共 振 成 像 测 量 的 血 氧 水 平 依 赖 信 号 以 及 功 能 近 红 外 光 谱测 量 的 皮 层 组 织 血 红 蛋 白 浓 度 被 用 于 构 建 非 侵 入 式 脑 机 接 口 。 此 外 ， 单 个 神 经元 的 动 作 电 位 以 及 皮 层 脑 电 被 用 于 实 现 侵 入 式 脑 机 接 口 系 统 ， 针 对 非 人 灵 长 类动 物 和 临 床 患 者 的 侵 入 式 脑 机 接 口 研 究 不 断