科技行業數字科技前沿產業研究系列（一）：腦機技術人機交互的新通路-221204（31頁）.pdf

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1、腦機技術：人機交互的新通路2022年12月04日數字科技前沿產業研究系列（一）行業專題姓名：朱峰（分析師）郵箱：電話：021-38676284證書編號：S0880522030002姓名：鮑雁辛（分析師）郵箱：電話：0755-23976830證書編號：S0880513070005 誠信 責任 親和 專業 創新2請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）摘要01腦機是通過采集生物電信號識別解讀并驅動外部設備的技術，主要有侵入式、半侵入式和非侵入式三種形式腦機是依托高性能的生物電信號采集裝備和計算機算法，實時記錄腦電波，再通過一定的技術手段對采集到的腦電波進行解讀，最

2、后利用計算機語言將其轉換成控制語言或命令以驅動外部設備，是人和外部設備間的全新通訊通路?；诮尤氲哪X部位置腦機技術分為侵入式、半侵入式和非侵入式三種。侵入式采集信號最穩定但創傷最大，非侵入式危險性最低、技術成熟、成本較低但信號穩定性最弱，半侵入式則介于前兩者之間。02當前腦機技術應用主要集中在醫療領域，逐步滲透至娛樂、軍事等新領域腦機技術主要提供監測、替代、改善/恢復、增強和補充五大功能。當前腦機的應用主要以醫療領域為主，如幫助完成對陷入深度昏迷等微小意識狀態的患者、存在視/聽覺障礙的患者人體神經系統狀態的實時監控與測量；幫助因損傷或疾病而喪失某種功能的患者如脊髓側索硬化癥患者、重癥肌無力患者

3、、喪失說話能力的人溝通等。隨著腦機技術的發展，如元宇宙等娛樂、智能家居、軍事等領域有望逐步實現腦機技術的應用，腦機成為人機交互的重要形式之一。03腦機已進入技術深度和應用廣度快速發展的快速發展期，但仍存技術難點腦機技術概念在1970年代被首次提出，進入21世紀后新型的腦機接口實驗范式相繼涌現，如聽覺、言語、情感、以及混合腦機接口，技術向多元化發展、應用范圍逐步拓寬，腦機技術迎來快速發展期。美國作為腦機技術先驅者，在侵入式腦機和非侵入式腦機領域都處于技術領先，已誕生如Neuralink等龍頭公司。但當前腦機技術仍存在如何理解神經元的輸出、如何實現向人腦的輸入、缺乏腦機性能的科學評價體系等難點需要

4、攻克。04政策支持與客觀國情背景下，腦機技術在國內存在發展前景自2016年提出腦計劃以來，我國政府不斷明確腦機智能具有的戰略意義，并指出腦機接口作為腦機智能關鍵技術的核心地位。上海、北京、杭州等城市不斷推出腦機技術發展規劃和支持政策，并著重關注腦機技術的高校合作、產研結合。從社會層面看，我國將在未來逐步進入老齡化社會，將形成數量龐大的老年人群，而神經系統疾病患者多集中于老年群體，醫療領域的腦機應用或將在我國迎來可觀發展空間。05風險提示（1）腦機市場增長不及預期風險；（2）倫理道德與法規風險；（3）上游腦科學研究不及預期風險。4XhVaXoWnUiYnPoMsQ9PaOaQpNoOmOmOlO

5、nMoMlOnNpR8OmMwPNZnMtQMYtRrM3誠信 責任 親和 專業 創新請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）目錄/CONTENTS腦機技術路徑梳理及下游應用01腦機技術發展歷史及全球發展情況02腦機技術發展難點和未來展望03風險提示04 4誠信 責任 親和 專業 創新請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）腦機技術路徑梳理及下游應用01腦機技術分類及其優劣勢比較1.2/腦機是人和外部設備間的全新通訊通路1.1/腦機提供多種功能，下游應用領域覆蓋較廣1.3/誠信 責任 親和 專業 創新5請參閱附注免責聲明腦機技

6、術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）1、信號采集預處理特征提取特征翻譯外設4、神經反饋2、腦信號處理與解碼“腦機接口”=“腦”+“機”+“接口”，即在人或動物腦（或者腦細胞的培養物）與外部設備間創建的用于信息交換的、不依賴于常規大腦信息輸出通路的連接通路。腦機系統借助人腦電信號采集設備實時記錄腦電波，并利用計算機算法或其他技術手段對采集到的腦電波進行解讀，再通過計算機語言將解讀的腦電波信息轉換成控制語言或命令，以此驅動外部設備。腦機接口系統主要包括四個組成部分：信號采集部分、信號處理部分、控制設備部分和神經反饋部分。腦信號處理與解碼分為預處理、特征提取和特征翻譯三個子過程?？刂平?/p>

7、口腦機是人和外部設備間的全新通訊通路腦機定義和技術路徑梳理1.1圖：典型腦機系統的組成數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究3、控制設備 誠信 責任 親和 專業 創新6請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）腦機技術主要分為：侵入式、半侵入式、非侵入式三種形式腦機定義和技術路徑梳理1.2數據來源：腦機接口在卒中患者上肢功能和手功能康復中的應用，國泰君安證券研究侵入式腦機半侵入式腦機非侵入式腦機機理通過手術等方式將信號采集裝置(電極)直接植入患者大腦皮層優勢劣勢經濟成本和安全風險均較高，極有可能引發免疫反應和腦膠質細胞結痂等

8、炎癥反應，從而導致信號質量下降通過手術方式植入電極，但電極處于顱腔內，未達到大腦皮層可以獲得高強度、高質量的信號相較于侵入式腦機接口，采集到的信號較弱相較于侵入式腦機接口，免疫反應和炎癥反應發生率均更低、安全系數更高無需手術，只需將電極附著在頭皮上記錄的信號弱避免昂貴的手術費用和不良反應的發生 誠信 責任 親和 專業 創新7請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）侵入式腦機：獲取信號質量高，但創傷較大，技術仍待成熟腦機定義和技術路徑梳理1.2 侵入式腦機接口，又稱完全植入式腦機接口，是一種創傷性較大的皮層內記錄腦機接口。侵入式腦機需要采用神經外科手術方法將采集

9、電極植入大腦皮層、硬腦膜外或硬腦膜下，其采集電極主要分為剛性電極和柔性電極。剛性電極技術較為成熟，但存在容易減弱信號的劣勢，因而柔性電極或成為未來發展方向。實現信息準確度和創傷程度之間的平衡，是侵入式腦機面臨的核心挑戰。技術角度而言，侵入式腦機需要解決：植入方式創傷大、電極通道數量低的問題。針對兩個核心技術挑戰，未來需著力研發蠶絲蛋白犧牲層/可注射網格狀神經電極技術和生物器件集成電路制造技術。圖：柔性電極性能更好，是未來發展方向圖：侵入式腦機面臨的技術挑戰和未來解決方案剛性電極 優點：技術較成熟，穩定性好、密度高、耐體液腐蝕 劣勢：由于剛性電極硬度遠高于腦組織，難以隨大腦運動，容易形成愈傷組織

10、從而減弱信號 代表性電極：密歇根電極和猶他電極柔性電極 優點：可以適應大腦的彎曲拓撲結構，因此具備良好的性能，包括生物相容性、柔韌性和微加工工藝兼容性 劣勢：技術不成熟 常用材料：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(PI1植入方式創傷大：Utah電極作為現階段唯一獲FDA批準的植入式電極，植入方式是采用小氣錘將電極拍打進大腦皮層，會對大腦產生不可逆轉的損傷未來解決方案：蠶絲蛋白犧牲層/可注射網格狀神經電極可實現電極微創植入，減少損傷的可能性電極通道數量低：Utah電極通道數2*100個，與采集精準信號所需的通道數量相差甚遠。以目前BCI技術，要記錄人腦中的所有神經元需要等到2225年未來解決

11、方案：生物器件集成電路制造技術結合了生物學科和信息技術，提高電極通道數量2數據來源：蛋殼研究院，知乎：芯智訊，國泰君安證券研究數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究 誠信 責任 親和 專業 創新8請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）半侵入式腦機：創傷較侵入式低，信號質量較非侵入式高腦機定義和技術路徑梳理1.2數據來源：知乎：芯智訊圖：半侵入式比侵入式更實用化，但信號質量較低圖：三種腦機接入位置對比侵入式 優點：長期穩定放置，直接記錄神經元電活動，信號衰減小，信噪比和空間分辨率高 缺點：屬于有創傷植入，技術難度大，存在繼

12、發感染可能性。一旦發生顱腦感染、電極故障，取出電極會造成二次損傷半侵入式 優點：微創腦機接口可能比皮層內記錄腦機接口更易實用化，且技術更為成熟 缺點：相比半侵入式腦機接口，信號衰減程度高 半侵入式腦機接口，也稱微創腦機接口，即基于皮層表面記錄的腦機接口。區別于侵入式腦機接口，半侵入式腦機將腦機接口植入到顱腔內，但是在大腦皮層之外，主要基于皮層腦電圖（ECoG）進行信息分析。相比侵入式腦機，半侵入式腦機的損傷性較小、技術更為成熟。由于半侵入式腦機接入皮層表面，不易引起強烈的排斥反應，手術的危險性較低，同時技術成熟度更高。相比非侵入式腦機，半侵入式腦機信號準確度更高，但傷害性稍強。數據來源：知乎：

13、芯智訊，國泰君安證券研究 誠信 責任 親和 專業 創新9請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）非侵入式腦機：因技術成熟、損傷性低成為主流腦機定義和技術路徑梳理1.2數據來源：蛋殼研究院，國泰君安證券研究 非侵入式腦機接口通過附著在頭皮上的穿戴設備測量大腦的電活動或代謝活動，無需手術、安全性高。非侵入式腦機不引起身體排異反應，安全系數高，倫理風險小，是目前主流的腦機形式。非侵入式腦機接口主要分為濕電極、干電極和半干電極三種。傳統腦電極一般采用濕電極，但存在佩戴、清理過程復雜的缺陷。干電極在克服此缺陷的同時，降低了信號的質量和穩定性。半干電極則結合了兩者的特點，

14、達到簡便程度和信號質量的均衡。圖：腦機接口電極類型及優劣勢傳統腦電極：濕電極佩戴程序復雜，需要專業人員輔助佩戴，所需時間長佩戴后頭發需要清潔舒適度較高信號質量、穩定性較高腦機接口電極：干電極不需要皮膚準備，適用于家庭測試，幾乎不需要清理信號不穩定性較強，容易受到電源干擾和運動偽影的影響難以將電極固定在頭皮上腦機接口電極：半干電極介于濕電極和干電極之間舒適度較高可以高效率且無殘留物地進行信號的采集需外部刺激以連續釋放電解液 誠信 責任 親和 專業 創新10請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）腦機能實現豐富功能，下游應用領域覆蓋較廣腦機主要應用方向梳理1.3

15、腦機技術能提供多種功能，主要分為五類：監測、替代、改善/恢復、增強和補充。圍繞上述五大功能，腦機接口有覆蓋面較廣的下游應用領域。醫療健康為腦機的主要應用場景，應用案例主要集中在“監測”“改善/恢復”“替代”和“增強”四種功能中。同時，腦機在未來掃清倫理、技術成熟度等障礙之后，將逐漸滲透娛樂、智能家居、軍事和其他領域，成為人機交互的重要形式之一。改善增強補充腦機的五種功能 監測：監測人體的腦部活動；替代：腦機接口系統的輸出可以替代患者喪失的自然輸出，彌補外部損傷或先天殘疾；改善/恢復：在疾病康復領域促進患者疾病康復或恢復患者人體功能；增強：實現健康人機能的提升和擴展；補充：在控制領域增加腦控方式

16、，補充傳統的單一控制方法以實現多模態控制軍事領域醫療領域監測替代智能家居娛樂領域其他領域圖：腦機技術的功能及對應下游應用場景數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究 誠信 責任 親和 專業 創新11請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）醫療健康是當前腦機的主要應用領域腦機主要應用方向梳理1.3監測改善替代增強 定義：即時監控、測量人體神經系統狀態 具體應用：陷入深度昏迷等微小意識狀態的患者、存在視/聽覺障礙患者的監控 定義：輔助病人完成疾病的恢復訓練 具體應用：感覺運動皮層相關部位受損的中風病人、癲癇病人、多動癥病人、自閉

17、癥病人恢復訓練 目標群體：替代患者因先天或后天因素喪失的自然功能 具體應用：脊髓側索硬化癥患者、重癥肌無力患者、因事故導致高位截癱的患者、喪失說話能力人的溝通 定義：將芯片植入大腦，增強個人能力、構建人腦和計算機的直接關聯 代表公司：Neuralink數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究 誠信 責任 親和 專業 創新12請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）腦機在醫療健康領域的具體應用腦機主要應用方向梳理1.3監測替代改善肢體運動障礙診療意識與認知障礙診療精神疾病診療感覺缺陷診療癲癇與神經發育障礙診療輔助性腦機接口：解

18、碼腦機系統獲得的信號以了解患者的運動意圖，實現對外部設備（如假肢或外骨骼等）的控制康復性腦機接口：腦機接口系統給予大腦重復性刺激，增強原有突觸的聯系或建立新突觸，輔助疾病的康復腦機接口設備獲取患者的腦電信號，在計算機解碼分析后，可以輔助醫生掌握患者的意識障礙狀態腦機接口可能與意識障礙患者實現交流，幫助醫生了解患者的疾病情況并判斷喚醒康復的可能性，進行針對性治療腦機接口系統在反復訓練后可以實現多種情緒（諸如愉悅、悲傷、平靜、憤怒、害怕、驚訝等）的判別分析醫生可以利用腦機接口系統兌換者進行神經反饋訓練，進行抑郁癥、自閉癥等精神疾病的治療腦機接口系統代替損傷的感覺系統、輔助患者解碼感官信息，實現感覺

19、恢復腦機接口系統能對患者大腦內部的電極發出信號，誘發患者大腦功能區的響應，進行癲癇的診療DanielYosher教授團隊幫助盲人恢復視覺數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究 誠信 責任 親和 專業 創新13請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）腦機技術的應用已開始向更多領域滲透腦機主要應用方向梳理1.3 主要集中在“補充”方向 例如，在游戲領域，腦機豐富了傳統游戲的控制方式，給予游戲玩家更豐富的游戲體驗。在VR中，玩家借助腦機用意念控制菜單導航和選項控制，讓游戲跳脫出計算機的框架，進入人機相連的世界娛樂 主要集中在“補

20、充”方向 智能家居實現了腦機與物聯網的跨領域結合 例如，在智能家居住房中，腦機接口將成為“遙控器”的新模式，實現用意念完成對智能家居的控制，進一步而言，還可以用意念控制機器人智能家居 主要集中在“替代”“增強”方向 腦機接口系統輔助人類戰士操控無人裝備深入危險地區執行高風險任務 腦機接口增強戰士的控制能力，發揮戰士的最大潛能；同時，通過腦機接口建立的信息傳輸系統能實現更高效、更安全的軍事通信軍事 主要針對健康人群的“增強”和“補充”、實現人體機能的擴展 例如，部分公司利用腦機檢測駕駛人員的精神狀態，防止疲勞駕駛，進而降低事故的發生率；在教育領域，教師可以通過腦機監測學生的注意力情況；在市場營銷

21、領域，腦機接口傳輸的客戶數據有利于公司了解用戶體驗其他數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究 14誠信 責任 親和 專業 創新請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）腦機發展歷史及全球發展情況02全球市場平均CAGR超14%，美日歐技術暫時領先2.2/腦機領域代表企業：Neuralink2.4/腦機技術起步較早，21世紀迎來迅速發展期2.1/當前國內外腦機技術和產業的主要企業和科研機構2.3/誠信 責任 親和 專業 創新15請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）1970s-1980s1科

22、學幻想期1980s-1990s21世紀2科學論證期3技術爆發期美國和歐洲先驅研發了首個實時且可行的腦機接口系統，并定義了至今仍在采用的幾種主要范式，如“P300 拼寫器”腦機系統的開發進一步深入，出現了基于感覺運動節律、視覺誘發電位等的腦機系統首次提出“腦機接口”術語1977年后，逐漸開發出基于不同感官事件的腦機接口系統受限于技術條件，這一階段的研究并未取得明顯進展主要聚焦于實現腦機接口的技術路線、發展各種各樣的技術方法及推動腦機接口的應用新型的腦機接口實驗范式相繼涌現，如聽覺、言語、情感、以及混合腦機接口近十年來，腦機接口研究的規模和范圍急劇擴大，侵入式腦機接口研究進展迅速發展階段產業孵化中

23、研究范式逐步確定行業賽道初見雛形技術多元化發展應用范圍逐步拓寬賽道內開始出現龍頭企業（如Neuralink）成為關注度極高的新興產業時間數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究腦機技術起步較早，21世紀迎來迅速發展期腦機發展歷史及全球發展情況2.1 誠信 責任 親和 專業 創新16請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究 腦機技術處于技術爆發期前期，潛在市場空間將逐步釋放。21世紀以來，理解大腦的結構和功能成為重要課題，腦機應運成為資本市場重點關注的

24、熱門產業。近年來，多國陸續提出基于生物科學、信息科學的腦計劃，促進了腦機市場的進一步增長。腦機技術的發展仍處于早期階段，市場將隨技術發展穩步增長，根據Valuates預測，預計2020至2027年間腦機市場空間CAGR將達14.3%。全球腦機行業以美、日、歐為主導，其中美國技術優勢明顯，歐洲日本緊隨其后。美國、日本、歐洲在腦機領域的布局相對較早，通過長期的資本注入以及技術積累，在全球腦機領域中占據領先地位。其中，美國的優勢體現在技術深度和廣度（如侵入式腦機接口）兩個層面，是全球腦機技術領先者。圖：腦機潛在市場規模較大13.638.505101520253035404520192027E圖：美國

25、技術優勢明顯，歐洲日本緊隨其后單位：億美元腦機全球市場規模數據來源：ValuatesReports，國泰君安證券研究全球市場平均CAGR超14%，美日歐技術暫時領先腦機發展歷史及全球發展情況2.2美國技術優勢明顯絕大多數非侵入式和侵入式腦機接口研究都集中于美國，美國已成功開發了多種電極（包括外周神經電極、三維電極、柔性電極、環形電極等），并應用于腦機接口歐洲關注醫療領域應用歐洲企業和研究機構著重于非侵入式腦機接口，重視精神疾病相關研究日本注重和機器人系統的結合日本主要關注非侵入式腦機接口，重視腦機接口和機器人系統的結合應用 誠信 責任 親和 專業 創新17請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的

26、新通路數字科技前沿產業研究系列（一）當前國內外腦機技術和產業的主要企業和科研機構腦機發展歷史及全球發展情況2.3數據來源：知乎：芯智訊，腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究國內國外企業研究機構 誠信 責任 親和 專業 創新18請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：知乎：芯智訊，國泰君安證券研究腦機行業海外主要公司腦機發展歷史及全球發展情況2.3公司名稱融資情況技術路線地理位置應用領域公司簡介NeuralinkElon Musk侵入式美國腦科學應用Neuralink專注于開發高帶寬且安全可靠的腦機接口技術Kernel1億

27、美元侵入式美國腦科學應用Kernel是一家研究人類智能的公司，致力于在人腦中植入腦機設備，改善人腦認知能力Mindmaze1.085億美元非侵入式瑞士醫療健康、游戲Mindmaze主要關注醫療、游戲等領域，目前正構建一個結合VR、腦成像、計算機圖形學和神經科學的平臺InteraXon1900萬美元非侵入式加拿大游戲InteraXon生產的Muse是一種腦波檢測頭環，可以通過實時音頻反饋來幫助用戶冥想、放松NeuroSky2790萬美元非侵入式美國游戲NeuroSky致力于研發腦電波控制的可穿戴設備，并提供ECG、EEG芯片BrainCo550萬美元非侵入式美國教育、醫療BrainCo致力于開發

28、非侵入式腦機接口，研發基于腦電波的可穿戴設備，達到注意力訓練、半癱患者功能恢復等目標Emotiv1920萬美元非侵入式美國游戲Emotiv致力于研發移動可穿戴EEG設備，配套APP可用于監測用戶的認知和情緒狀態BrainGatePrize andNIH Grant侵入式美國醫療健康BrainGate專注于大腦植入技術，將傳感器植入到癱瘓病人腦中，檢測他們的腦活動，并將用戶的意識轉換為電腦指令g.tecN/A非侵入式奧地利腦電測量g.Tec專注于研發高精度腦電測量設備，產品包括多通道EEG偵測設備、軟件，以及生物信號處理系統等Brain-MasterN/A非侵入式美國腦電測量BrainMaste

29、r專注于開發臨床級的設備和軟件，用于EEG和生物反饋的臨床或研究用途，提供神經反饋裝置和系統，為 EEG評估提供高質量解決方案 誠信 責任 親和 專業 創新19請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：知乎：芯智訊，國泰君安證券研究腦機行業海外科研力量分布腦機發展歷史及全球發展情況2.3實驗室大學教授實驗室大學教授Lab of Dr.SydneyCashHarvard UniversitySydney Cash,MD,PhDCenter for Neural Engineering&Prostheses(CNEP)UC BerkleyJose Carm

30、enaMental Imagery and Human-Computer Interaction LabHarvard UniversityMaria KozhevnikovNicolelis LabDuke UniversityMiguel A.L.Nicolelis,M.D.,Ph.D,PINeuroscience Statistics Research LabMassachusetts Institute of TechnologyEmery N.Brown,M.D,Ph.DNeural Sensing and interfacingUniversity of MinnesotaBin

31、HeSyntheticNeuroengineeringLabMassachusetts Institute of TechnologyEd BoydenETSU Brain-Computer Interface LaboratoryEast Tennessee StateUniversity(ETSU)Eric Sellers,Ph.D.Neural Dynamics&DataAnalysis LabBoston UniversityMark A.Kramer,PhDCenter for Sensorimotor Neural EngineeringUniversity of Washingt

32、onSeattleRajesh PN RaoHuman-Computer Interaction LabTufts UniversityRobert J.K.JacobBrain UI GroupGeorgia Tech&GeorgiaState UniversityJennifer MankoffBrown Institute for Brain ScienceBrown UniversityDiane LipscombeThe Allen InstituteThe Allen Brain InstituteSilvija Coulter,M.Sc.,P.M.P.Nanophotonicsa

33、nd NeuroengineeringLabBrownUniversityIlker OzdenWadsworth Brain-Computer Interface LabWadsworthBCIJonathan R.Wolpaw,M.D.Laboratory for Intelligent Imaging and Neural ComputingColumbia UniversityPaul SajdaDEFITECH CHAIR IN BRAIN-MACHINE INTERFACE CNBIEcole PolytechniqueFederale de Lansanne(EPFL)Jose

34、del R.MillanNeural Prosthetics Translational LaboratoryStanford UniversityJamie Henderson,MD Krishna ShenoyGraz Brain-ComputerInterfaceLabGraz University ofTechnologyGernot R.Muller-Putz,Univ.Prof.Diol,-Ing.Dr.techn.誠信 責任 親和 專業 創新20請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）腦機行業國內主要公司腦機發展歷史及全球發展情況2.3公司名稱簡

35、介研究方向產品中電云腦(天津)科技有限公司2018年成立于天津打造國家健康醫療大數據云腦中心研發了高集成腦-機交互芯片“腦語者”NeuraMatrix成立于2019年，清華大學孵化企業新一代腦機接口平臺開發，涵蓋腦機接口芯片、系統化設備、軟硬一體化平臺NeuraMatrix 的自研腦機接口芯片經過幾輪迭代，目前已經流片完成，即將發布博?？党闪⒂?011年，由清華大學神經工程實驗室專家創立非侵入式、微創腦機接口搭建以神經信號采集、解析、反饋為核心的腦機接口技術平臺，形成無創、微創系列產品與解決方案，研發重點在腦科學研究、精神與心理疾病篩查、各類神經系統疾病的診療與康復等領域BrainCo(浙江強

36、腦科技有限公司)2015年創立，哈佛創新實驗室孵化的第一支華人團隊非侵入式腦機接口研發非侵入式可穿戴設備，用于認知和情緒訓練、半癱患者功能恢復。采用無創的非侵入式混合腦機接口技術，通過佩戴設備收集處理人體的信號，實現對大腦信息的讀取和外部設備的控制念通智能成立于2016年，孵化于上海交通大學機電實驗室肢體康復設備的研發生產，主要產品為腦電帽eCon 無線腦電采集設備，可以從大腦表皮采集和保存用戶的腦電波信號；eConHand手功能康復設備，輔助中風患者進行手功能康復訓練腦陸科技成立于2018年，總部位于北京專注于腦科學、腦健康篩查、腦電算法、腦電數據開放平臺等腦科學前沿科技應用家用助眠智能腦機

37、交互頭環BrainUp，進行全方位的腦電信號監測臻泰智能成立于2018年，依托西安交通大學技術優勢研發腦控主被動協同康復機器人及各類腦機接口相關系統應用無線便攜式醫療級腦電頭帶，可用于睡眠監測、情緒識別及認知康復江蘇集萃腦機融合研究所2019年成立于蘇州，依托中科院半導體所研究團隊專注于開發腦狀態檢測和腦機接口的核心器件和解決方案采用腦電信號監測、識別疲勞狀態，采用高能效比邊緣計算處理器實現復雜腦機接口算法的本地執行妞諾科技2014年12月成立于杭州腦科學醫療整體解決方案、AI 算法技術研究、軟硬件產品研發腦科學病例數據庫及算法、腦科學大數據云平臺和腦電圖儀等配套硬件數據來源：腦機接口技術在醫

38、療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究 誠信 責任 親和 專業 創新21請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）腦機行業國內科研力量分布腦機發展歷史及全球發展情況2.3單位類別研究方向及成果清華大學醫學院BCI實驗室高小榕教授團隊非侵入式率先提出并實現基于 SSVEP 的非侵入型 BCI 技術，通過解碼大腦初級視覺皮層的振蕩頻率，確定用戶所注視的刺激物，并轉換為對應的指令輸出華南理工大學自動化科學與工程學院李遠清教授團隊非侵入式在基于腦機接口的植物人意識檢測方面取得領先的科研成果；建立腦機接口研發平臺及多個腦機接口系統，包括腦控輪椅、腦控護理床、腦

39、控電視、腦控電燈等上海交通大學計算機科學與工程系呂寶糧教授團隊非侵入式在腦電與情感識別以及疲勞駕駛方面取得顯著成果天津大學醫學工程與轉化醫學研究院明東教授團隊非侵入式以腦機交互為研究主線，重點面向特種醫學與人機工程、物理醫學與康復工程等重大領域的工程應用，開展了以神經工效感知交互、人工神經康復機器人、新型腦機接口與定量腦電信息標定等為代表的神經系統認知與調控新方法、新技術研究華東理工大學信息科學與工程學院金晶教授團隊非侵入式研究基于腦機接口技術的腦卒中病人的新型康復技術、肌萎縮側索硬化病人的輔助技術設計、模式識別與機器學習在生物信號識別中的應用北京理工大學機械與車輛學院畢路拯教授團隊非侵入式進

40、行基于運動想象的腦機接口在車輛控制方面的研究上海大學機電工程與自動化學院楊幫華教授團隊非侵入式主要研究運動想象腦機接口解碼技術、虛擬現實技術、BCI 結合 VR 技術在醫療康復領域的應用華中科技大學自動化學院腦機接口與機器學習實驗室伍冬睿教授團隊非侵入式著重于腦機接口的情感運算和智能醫療西安交通大學徐光華教授團隊非侵入式重點關注中風康復的腦機主被動協同 康復機理和腦控中風康復機器人數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究 誠信 責任 親和 專業 創新22請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：Neuralink官網

41、，國泰君安證券研究技術部件技術部件溝通部位溝通部位附加產品附加產品“Link”處理和傳輸神經信號的密封植入式裝置“Neural Threads”每條小而靈活的線都包含許多用于檢測神經信號的電極“Charger”無線連接到植入物上、從外部為電池充電的緊湊型感應式充電器聽覺皮層協助對聲音的感知和解釋視覺皮層處理來自眼睛的視覺信息體感皮層有助于處理身體觸覺運動皮層負責計劃和執行自愿運動Neuralink app 通過練習，幫助用戶學習如何控制設備 通過藍牙連接，用戶能夠通過思想控制任何鼠標或鍵盤自動手術系統 鑒于醫生無法手動精準地完成電極的植入，手術系統可以輔助醫生，將裝置準確地植入對應的部位圖：N

42、euralink概況 Neuralink由Elon Musk于2016年創立，并于2017年首次出現于公眾視野。Neuralink旨在通過腦機接口，建造有可能幫助癱瘓患者的設備，著重解決醫療健康領域的難題。Neuralink主要研發侵入式腦機接口，并著重研發相應的配套設施。一方面，Neuralink注重提升植入裝置性能和植入方式精準度，提高信息的傳輸效率；另一方面，Neuralink嘗試構建應用網絡，深入消費者層面進行布局，完善產品的售后服務。腦機領域代表企業：Neuralink腦機發展歷史及全球發展情況2.4 23誠信 責任 親和 專業 創新請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科

43、技前沿產業研究系列（一）腦機技術發展難點和未來展望03技術難點2：如何實現向人腦的輸入3.2/技術難點1：如何理解神經元的輸出3.1/技術難點3：缺乏腦機性能的科學評價體系3.3/政策支持與客觀國情背景下，腦機在國內具有發展前景3.4/誠信 責任 親和 專業 創新24請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：知乎：芯智訊、第3類人，國泰君安證券研究難點1：如何理解神經元的輸出腦機技術發展難點和未來展望3.1問題1：信號識別精度低 人腦中存在數百億的神經元，目前人們尚未對其功能和信息傳輸機制擁有足夠的了解，腦機接口系統所能識別的神經信號內容較少且準確度低

44、。腦機系統記錄的信號涉及的神經元越多、信號復雜度越高、識別難度越大，進一步降低腦機系統的識別精度；研究表明，目前腦機接口系統對2類思維任務的識別率約為90%、對3類任務的識別率約為80%、對4類運動的識別率僅有70%左右。問題2：信號識別速度慢 腦機接口系統需要把獲取的腦電波信號識別、轉換為計算機理解的信號，其中所需要的算法對算力的要求遠遠超出如今的算力水平，這意味著現階段的腦機接口系統無法快速、即時、準確地識別神經電信號。目前，腦機接口系統所能達到的信息識別、轉換速度為68 bit/min，遠遠不及真人正常交流所需的速度。難以高效率、準確地理解神經元的輸出圖：腦機輸出信號解碼過程 誠信 責任

45、 親和 專業 創新25請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：知乎：芯智訊，蛋殼研究院，國泰君安證券研究難點2：如何實現向人腦的輸入腦機技術發展難點和未來展望3.2 在腦機接口技術領域，未來腦機接口的發展按照信息傳輸方向分類，將從經典的腦機接口逐漸演變為腦機交互最后到腦機智能的模式。如何實現“機-腦”的信息傳輸（即將感知反向編碼成能被大腦讀懂的信號），成為模式突破的關鍵。然而，基于理論的從機到腦的反饋研究如今仍處于一片黑暗。目前神經科學對于神經編碼的具體方式仍處于未知狀態，而由機-腦對神經編碼知識的需求要遠大于“腦-機”，因此，“機-腦”的研究相比“

46、腦-機”的研究更緩慢。圖：腦機交互與腦機智能的結構腦機交互腦機智能 誠信 責任 親和 專業 創新26請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：信通院知產中心，國泰君安證券研究難點3：缺乏腦機性能的科學評價體系腦機技術發展難點和未來展望3.3 腦機接口的評估通常包括硬件和軟件評估。硬件評估是評價腦機接口性能的關鍵部分，包括采集設備、外形尺寸和電子設備三個評估方向，一般從數據采集基準和生理指標兩個層面進行評價。軟件主要涉及界面和機器學習技術，一般從軟件基準層面進行評價。盡管在量化腦機接口獨立組成部分的性能方面已經有了一些成果，但整個腦機接口系統還沒有全面的

47、標準或基準。當前腦機產業從業者正在通過如公開標準化數據庫、允許開發人員測試他們的方法等形式開發腦機接口系統的基準。圖：現有的腦機性能評價體系圖：腦機性能評價思路1數據采集基準：數據采集硬件是影響腦機接口性能的重要組成部件，但其評價標準很少且不統一，應用中一般采用制造商提供的指標生理指標：生理指標應不同的腦機接口的性能而不同，沒有統一的評價體系。同時，生理指標的可變性因素較多，測量時難以排除外界因素的影響，因此難以形成統一標準2軟件基準：軟件直接影響著對系統獲取的腦信號的解讀，如今已經建立起相對普適性的評價標準。為了統一化評價指標，人們確立了系統軟件的處理步驟，并從預處理技術和信號質量指數兩條標

48、準評估程序執行3 誠信 責任 親和 專業 創新27請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），上海市人民政府官網，國泰君安證券研究我國已出臺眾多支持腦機技術發展的政策腦機技術發展難點和未來展望3.4 我國重視腦科學與類腦研究。自2016年提出腦計劃以來，政府不斷明確腦機智能具有的戰略意義，并在“十三五”、“十四五”規劃中將腦機技術的納入技術發展規劃目標。地方政府推進腦機技術發展，輻射范圍從上海、北京等超一線城市向杭州等城市拓展。2015年上海市首次在國內啟動腦科學研究項目。此后，北京、杭州等地逐步開始打造

49、腦機智能產業。2022年11月上海市政府在上海打造未來產業創新高地發展壯大未來產業集群行動方案中提出加速非侵入式腦機接口技術、腦機融合技術、類腦芯片技術、大腦計算神經模型等領域突破。中國腦計劃啟動，分為兩個方向：以探索大腦秘密并攻克大腦疾病為導向的腦科學研究和以建立并發展人工智能技術為導向的類腦研究四部委聯合印發“十三五”國家基礎研究專項規劃明確提出了腦與認知、腦機智能、腦的健康三個核心問題，并用“一體兩翼”高度概括目前的布局在十四五規劃和2035 年遠景目標綱要中，腦機接口技術作為腦機智能融合技術的關鍵，是重點發展領域。腦機智能融合系統可廣泛應用于神經康復和生物智能領域3月，上海市啟動全國第

50、一個基礎研究預研項目；5 月，上海市發布全球有影響力科技創新中心建設二十二條，將腦科學與人工智能列為重大基礎工程之首上海市實施腦與類腦智能基礎轉化應用研究市級重大專項，隨之啟動的還有“全腦神經聯結圖譜與克隆猴模型計劃”等相關專項北京市經濟和信息化局發布關于印發北京市機器人產業創新發展行動方案(20192022 年)的通知，指出應面向養老、健康服務領域，推動康復機器人以及智能護理機器人的研發生產杭州西湖區率先布局腦機智能產業，全力打造腦機智能產業鏈。西湖區腦機智能項目旨在探索以國有企業為主體、產學研深度融合的新路徑，助力西湖區打造全國性的校地合作示范區2015201820192021201620

51、172021上海北京杭州及其他城市圖：國內腦機政策發展地區政策國家政策 誠信 責任 親和 專業 創新28請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）數據來源：腦機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2021），國泰君安證券研究面對老齡化問題，我國腦機產業存在較大潛在需求腦機技術發展難點和未來展望3.4醫療領域：神經系統疾病治療需求增加圖：神經系統疾病賦能醫療領域腦機發展，生活智能化帶動其他領域腦機需求 我國神經系統疾病人群數目龐大，集中在老年群體。例如腦性癱瘓發病率為 1.84%，老年腦病患者占老年人口總數的 10%；對這類數量龐大人群的治療和改善是醫學界迫切需求，

52、而腦機接口技術正在這一領域發揮不可替代的作用；在中國老齡化的趨勢背景下，神經系統疾病治療需求的增加反哺腦機產業，為腦機產業醫療診斷、醫療康復等領域的應用增長賦能其他領域：現代智能生活拉動應用需求 信息技術的發展轉變了當代人的生活方式，人機融合、信息智能、機器自動愈發成為主流發展趨勢；例如，教育行業市場規模從2015年的1.6億元上升至2020年的2.0萬億元，其中 5%左右的市場是屬于教育輔助、習慣培養、個性養成等領域；腦機接口技術在如元宇宙等現代智能生活和教育娛樂的應用需求與日劇增，并具有較大的增長潛能 在我國老齡化趨勢背景下，能應用于神經系統疾病治療的腦機技術具有較大的潛在市場空間。從社會

53、層面看，我國將在未來逐步進入老齡化社會，將形成數量龐大的老年人群，而神經系統疾病患者多集中于老年群體，醫療領域的腦機應用或將在我國迎來可觀發展空間。更加智能的生活方式有望帶動腦機技術在智能生活和教育娛樂等新領域的發展。隨著技術的發展、“智能化”已是社會生活方式的重要發展趨勢。能提供更好人機交互體驗的腦機技術在如元宇宙等新興智能化生活方式中具有潛在應用空間。29誠信 責任 親和 專業 創新請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）風險提示04 誠信 責任 親和 專業 創新30請參閱附注免責聲明腦機技術：人機交互的新通路數字科技前沿產業研究系列（一）風險提示04 腦機市場增長不及預期風險：目前腦機技術仍為完全成熟，全球腦機市場仍處于起步階段、市場普及率較低。若未來技術進步不及預期，導致應用體驗不佳、成本高昂最終導致腦機市場增長不及預期風險。倫理道德與法規風險：侵入式腦機和半侵入式腦機需要通過植入手術實現，存在一定的安全風險和倫理風險，同時在法律層面仍有大量空白尚未規范，侵入式腦機和半侵入式腦機的發展在未來存在倫理道德譴責和相關法規規范不及預期的風險。上游腦科學研究不及預期風險：腦機相關產業高度依賴上游科技發展，如腦機產業發展依賴于腦科學對人腦電波解碼的研究，未來科學突破的不確定性可能會阻礙腦機產業的進一步發展。