2025年全球脑机接口行业概述及应用领域调研报告

2025年全球脑机接口行业概述及应用领域调研报告 脑机接口（Brain-ComputerInterface，BCI）作为一种革命性的技术，正逐渐从科幻设想走进现实，在医疗、娱乐、教育、工业等众多领域展现出巨大的应用潜力，成为全球科技创新的焦点之一，其核心在于在大脑与外部设备之间建立起直接的通信和控制通道，使大脑信号能够被解读并转化为指令，实现对外部设备的精准操控，或是让外部设备能够反过来对大脑活动施加影响。 一、脑机接口行业概述 1、脑机接口的定义与原理 脑机接口又称为脑机交互，俗称“脑控”，是指在生物（人或动物）大脑与外部设备或环境之间建立起一种新型的实时通讯与控制系统，从而实现脑与外部设备直接交互的技术，是一种可以让用户通过思想来控制特殊计算机设备的通信方式。其工作原理基于对大脑电信号的获取、处理和解析，以实现人脑与外部设备之间的直接通信。 大脑在进行各种活动时，神经元会产生电活动，这些电活动会形成微弱的脑电信号，脑机接口系统的首要任务便是获取这些信号。获取大脑活动电信号的方式多种多样，主要包括电生理方法和脑成像方法两大类。电生理方法中最常用的是脑电图（EEG），它具有操作简便、时域分辨率较高的优点，能够实时捕捉大脑电活动的变化，但空间分辨率相对较差，难以精确确定信号的来源位置。脑成像方法如功能磁共振成像（fMRI），具有较高的空间分辨率，可以清晰地显示大脑的结构和功能区域，但处理时间较长且成本较高，限制了其在实时性要求较高的脑机接口应用中的使用。 由于大脑信号在采集过程中容易受到噪声的干扰，因此需要进行信号预处理以确保信号质量。预处理的方法包括滤波、增强等，常见的滤波方法有低通滤波和带通滤波，这些方法能够去除高频噪声和伪迹等。在信号处理阶段还需要通过特征提取方法提取有用的特征，以提高信号的可辨识度和可靠性。信号解析环节则将预处理后的信号转换成计算机可以理解的形式，通常需要使用模式识别算法和机器学习方法。这些方法可以通过训练模型来识别不同的脑电模式或者脑电特征，从而实现脑机接口的应用。例如，可以利用机器学习算法将大脑信号与特定运动或意图进行关联，实现通过意念控制机器人、假肢或电子设备等的操作。通过上述三个主要环节，脑机接口实现了人脑与外部设备之间的直接通信，为医学治疗、人机交互和神经科学研究等领域带来了广阔的应用前景。脑机接口工作原理示意图如下： 2、脑机接口的发展历程 根据北京研精毕智信息咨询调研，脑机接口的发展历程漫长而充满探索，从早期的理论构想逐步走向实际应用，每一个阶段都凝聚着众多科研人员的智慧与努力，推动着这一前沿技术不断向前迈进。其发展可以追溯到19世纪，1857年，英 国生理学家卡通（Caton）在兔脑和猴脑上记录到了脑电活动，并发表了《脑灰质电现象的研究》论文，这一发现为后续脑机接口的研究奠定了基础，揭开了人类探索大脑电信号奥秘的序幕。1872年，贝克（Beck）再一次发表关于脑电波的论文，掀起了研究脑电现象的热潮，使得更多的科学家开始关注和投身于这一领域的研究。1924年，德国精神病学家汉斯・贝格尔（HansBerger）发现了脑电波，正式开启了脑机接口研究的大门，为后续的实验和技术发展提供了关键的理论支持。1963年，英国拜登神经病学研究所医生格雷・沃特（GreyWalter）把病人的电极连接到了自己发明的“电位转换器”上，当病人看幻灯片，每次有换片的想法时，大脑运动皮层的电位就会升高，电位转换器就把这一信号传递给幻灯机，实现了自动换片，这是第一次成功的脑机接口实验，标志着脑机接口从理论走向实践的重要突破。1968年，雯达・威尔威卡（WandaWyrwicka）和M.B.斯特曼（M.B.Stenman）首次在神经生理学基础上进行了控制大脑信号的尝试，他们记录到猫的感觉运动节律，并将其转化为感官反馈，进一步拓展了脑机接口在神经生理学领域的研究。1973年，美国加州大学洛杉矶分校的雅克・维达尔（JacquesVidal）教授发布了首篇脑机接口研究论文，创造了“脑机接口”（Brain-ComputerInterface）这个术语，并搭建了世界上第一个脑机接口系统， 为脑机接口技术的发展确立了明确的概念和研究方向，具有里程碑式的意义。 20世纪80年代至90年代，脑机接口技术在基础研究和应用探索方面取得了一系列重要进展。1980年，美国神经科学家乔戈普斯发现猴子脑内呈现的一群神经细胞的集体活动能控制其手的运动方向，为后来的脑机接口控制机器人假肢的研究奠定了理论基础。这一发现为脑机接口在医疗康复领域的应用提供了重要的理论依据，激发了科学家们进一步探索如何利用脑机接口技术帮助残障人士恢复运动功能的热情。1998年，科研人员成功实现了让猴子通过脑电波控制机械臂的运动，这一实验的成功标志着脑机接口技术在控制外部设备方面取得了实质性的突破，为未来脑机接口在医疗、工业等领域的应用展示了广阔的前景。进入21世纪，随着计算机技术、神经科学、材料科学等多学科领域的迅猛发展，脑机接口技术迎来了快速发展的黄金时期。2004年，美国的一名瘫痪患者马修・内格尔(MatthewNagle)成为了第一个脑机接口植入者。这款接口使用的是一种被称为“犹他”的刺入式电极阵列，由96根硅质电极针组成。这些电极被放置在内格尔的运动皮层中，并通过头骨上的接口与外面的计算机相连。这一案例标志着脑机接口技术在人体应用上取得了重大突破，为瘫痪患者带来了重新恢复运动能力的希望。此后，全球范围内的科研团队在脑机接口技术的各个方面展开了深入研究，包括信号采集、处理、解析以及应用拓展等。2014年，在巴西世界杯揭幕战上，截瘫青年朱利亚诺・平托就在脑机接口技术的辅助下为足球比赛开球，这一事件引起了全球媒体的广泛关注，使得脑机接口技术从科研领域走进了大众的视野，极大地提升了公众对这一前沿技术的认知度和关注度。2016年，在神舟十一号载人飞船飞行过程中，我国航天员完成了首次太空脑机交互实验，这一实验的成功标志着脑机接口技术在航天领域的应用迈出了重要一步，为未来太空探索中实现更高效的人机交互提供了技术支持。近年来，国际上多个团队通过脑机接口技术，帮助患者实现了“意念打字”“意念说话”等功能，不断拓展着脑机接口技术在医疗康复领域的应用边界，为神经系统疾病患者和残障人士带来了更多的生活便利和希望。脑机接口技术发展历程重要事件时间轴如下： 时间重要事件1857年英国生理学家卡通在兔脑和猴脑上记录到脑电活动，发表《脑灰质电现象的研究》论文1872年贝克发表关于脑电波的论文，掀起研究脑电现象热潮1924年德国精神病学家汉斯・贝格尔发现脑电波1963年格雷・沃特实现第一次成功的脑机接口实验（自动换片）1968年雯达・威尔威卡和M.B.斯特曼记录猫的感觉运动节律并转化为感官反馈1973年雅克・维达尔创造“脑机接口”术语，搭建第一个脑机接口系统1980年美国神经科学家乔戈普斯发现猴子脑内神经细胞活动控制手的运动方向1998年科研人员实现让猴子通过脑电波控制机械臂运动2004年美国瘫痪患者马修・内格尔成为第一个脑机接口植入者2014年截瘫青年朱利亚诺・平托在脑机接口技术辅助下为巴西世界杯开球2016年我国航天员在神舟十一号飞行中完成首次太空脑机交互实验近年来国际多个团队帮助患者实现“意念打字”“意念说话”等功能 3、脑机接口的分类及特点 根据信号采集方式和电极植入位置的不同，脑机接口可分为非侵入式、半侵入式和侵入式三大类，每一类都有其独特的技术特点和应用场景。 1.3.1非侵入式脑机接口 非侵入式脑机接口是将电极贴附在使用者的头部皮肤上，无需进行手术，就能获取大脑活动产生的电信号。这种方式操作简单，就像戴帽子一样，将带有多个电极的帽子或头套戴上即可，对使用者的身体几乎没有伤害，安全性高，也不会引起免疫反应。由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元电磁波的分散和模糊作用，非侵入式脑机接口记录到的信号空间分辨率低、幅值微弱且信噪比较低。这使得从这些信号中提取准确的大脑意图变得困难，对后续信号处理算法的性能要求较高。非侵入式脑机接口目前主要应用于智能健康和教育等消费场景，例如在一些智能健康监测设备中，通过非侵入式脑机接口可以实时监测用户的大脑活动状态，为用户提供健康评估和预警；在教育领域，可用于监测学生的学习状态，实现个性化的学习方案定制，提升学习效率和效果。 1.3.2半侵入式脑机接口 半侵入式脑机接口的电极被置于颅腔内，但是位于大脑皮质外的区域。这种方式介于非侵入式和侵入式之间，相较于非侵入式脑机接口，其电极更接近大脑，能够获取质量更高的信号，信号的空间分辨率和信噪比都有所提升。由于不需要直接植入大脑神经组织，手术风险相对侵入式脑机接口较低，在一定程度上平衡了信号质量和安全性的需求。半侵入式脑机接口技术主要用于临床诊疗和科研领域，例如在癫痫等神经系统疾病的诊断和治疗中，半侵入式脑机接口可以更准确地监测大脑的电活动，为医生提供更有价值的诊断信息，帮助制定更精准的治疗方案。 1.3.3侵入式脑机接口 侵入式脑机接口是将电极直接植入大脑神经组织中，与大脑神经元直接接触。这种方式能够获取最为准确和丰富的大脑信号，信号的空间分辨率和时间分辨率都非常出色，可以实现对大脑活动的高精度监测和控制。侵入式脑机接口需要进行开颅手术，存在神经外科手术、植入物放置所引发的长短期安全风险，包括手术过程中和手术后的组织损伤、感染风险，以及脑损伤、炎症反应、骨骼异常生长、电磁辐射等长期风险。一旦电极在大脑中出现位移甚至折断，可能会不可避免地使神经受到伤害，引发感染等免疫反应。侵入式脑机接口目前主要应用于医疗和科研领域中对信号质量要求极高的场景，例如帮助瘫痪患者恢复运动功能，通过精确采集大脑运动皮层的信号，控制外部的机械假肢或康复设备，实现更自然、更精准的运动控制；在神经科学研究中，用于深入探究大脑的神经活动机制，为理解大脑功能和治疗神经系统疾病提供关键数据支持。不同类型脑机接口特点对比见下表： 二、脑机接口行业应用领域 1、医疗康复领域 2.1.1瘫痪患者的运动功能恢复 据研精毕智信息咨询发布的调研报告显示，脑机接口技术在瘫痪患者的运动功能恢复方面展现出了巨大的潜力，为众多瘫痪患者带来了重新恢复自主运动能力的希望。通过脑机接口系统，瘫痪患者的大脑信号能够被采集、处理和解读，进而转化为控制外部设备（如外骨骼、假肢等）的指令，实现对肢体运动的模拟和控制。 2014年，在巴西世界杯揭幕战上，截瘫青年朱利亚诺・平托在脑机接口技术的辅助下为足球比赛开球。他所佩戴的脑机接口设备通过采集大脑运动皮层发出的信号，经过计算机的分析和处理，将这些信号转化为控制外骨骼机器人的指令，从而实现了自主行走并完成开球动作。这一事件不仅展示了脑机接口技术在瘫痪患者康复治疗中的可行性，也引起了全球对该技术的广泛关注，让更多人看到了脑机接口为瘫痪患者生活带来的巨大改变。 法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学教授Alim-LouisBenabid团队的研究也取得了显著成果。他们为因从15米高阳台坠落导致四肢瘫痪的Thibault进行了脑机接口实验。通过在Thibault大脑表面的运动控制部位放置两个各有64个电极的植入物，并配合相应的软件将电极读取的脑电波转换为运动指令，Thibault实现了对一个重达65公斤的外骨骼装备的控制。经过20多个月的各种类型训练，Thibault已经可以凭借大脑信号控制外骨骼装备实现缓慢行走以及暂停，还能够控制手臂自由活动。尽管从大脑发出指令到实现运动存在350毫秒的时差，且该设备由于较为笨重还无法让患者实现完全自主运动，需要安全保障设备吊在天花板上以避免跌倒，但这一研究成果依然为瘫痪患者的康复治疗提供了重要的实践经验和技术参考。 清华大学科研团队与北京天坛医院、宣武医院合作开展的无线微创脑机接口临床试验也取得了重大进展。35岁的截瘫患者小白在接受无线微创脑机接口植入手术后，经过两个多月的康复训练，已经能够实现意念控制光标移动。四肢瘫痪长达14年的患者杨先生在接受植入手术后