上?？茖W技術情報研究所：2024年專利與創新腦機接口專利態勢（28頁）.pdf

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1、12024 年年第第 06期期2腦機接口專利態勢腦機接口專利態勢編者按編者按2024 年 1 月 29 日，美國知名企業家埃隆馬斯克表示，他旗下的腦機接口公司“Neuralink”完成了首例腦機接口設備人體移植且患者恢復良好，該消息一經發布便引發全球關注。僅接著，清華大學發文稱與宣武醫院團隊成功進行首例無線微創腦機接口臨床試驗，央視網 1 月 31 日對上述清華大學的項目進行了介紹，并表示我國腦機接口技術有望先于馬斯克產業化。大腦植入腦機接口設備后，人類只需通過意念就能控制手機、電腦，并通過它們控制幾乎所有設備。根據中國信通院 2023 年 12 月 26 日發布的腦機接口技術發展與應用研究報

2、告(2023 年)，腦機接口技術有望在十年內走向成熟商用，該項技術如成功應用，將對人類的生活帶來顛覆性的變革。腦機接口自問世以來，始終位居研究焦點，2024 年 1 月 22 日，3自然雜志發布“2024 年值得關注的七項技術”，腦機接口（Braincomputer interfaces）技術位列其中。近年來，斯坦福大學、Neuralink、清華大學等領銜機構接連在腦機接口技術上取得了重大突破。除此之外，國內外腦機接口技術發展如何？筆者從專利視角切入，根據公開文獻整理了成如下簡報，便于讀者了解。目 4錄錄總體總體專利態勢專利態勢.4全球腦機接口專利增長快速，我國專利申請量居首.4關鍵技術專利態

3、勢關鍵技術專利態勢.6植入式：發展迅速，中美領銜發展.6非侵入式：半干電極或為未來主流技術.7范式編碼：全球專利申請激增，中美領銜.8醫學應用腦機接口：我國專利申請居首.9領銜機構專利動態領銜機構專利動態.10HI LLC：超前布局大量無創光采集專利.10Neuralink：解碼模型無縫切換、特殊細胞直接移植.11華為：傳感器網絡檢測傳輸.13斯坦福大學：無監督校準系統.14歐洲發明家獎：植入式腦機接口助癱瘓患者進行思想交流.155總體總體專利態勢專利態勢全球腦機接口專利增長快速，我國專利申請量居首全球腦機接口專利增長快速，我國專利申請量居首申請地區看，我國居首申請地區看，我國居首近幾年，全球

4、腦機接口專利申請增長迅猛，呈指數發展趨勢。從國內外發展趨勢來看，國外起步較早，但從 2013 年開始，國內每年申請量反超國外，且后續發力迅猛，占據了全球申請的主導地位，其次為美國、韓國、印度和日本。圖圖1 全球及我國腦機接口專利申請趨勢全球及我國腦機接口專利申請趨勢6技術構成看，信號處理申請量最多技術構成看，信號處理申請量最多從專利技術構成來看，腦機接口專利主要集中在對腦電信號的處理、建模、腦意圖識別領域，占比約 49%；將腦電信號轉換為特定外設控制指令的專利占比 26%；涉及腦電信號采集的專利占比 17%；利用聲光電磁等刺激大腦，誘發人體反應形成腦機交互的專利占比較少，約為 8%。此外，從不

5、同類別的國內、外專利申請量來看，國內腦機接口以上各技術分支的專利申請量都較國外專利申請量多，占據優勢地位。圖圖2 腦機接口專利技術構成與分布腦機接口專利技術構成與分布申請人類型看，國外以企業為主，我國以院校為主申請人類型看，國外以企業為主，我國以院校為主對國內外專利申請人類型進行聚類發現，國內外腦機接口專利申請人類型7差別較大。國內主要申請人類型為大專院校，占比 63%，其次為企業和科研機構，個人申請量較少；國外主要申請人類型為企業，占比 39%，個人、科研機構和大專院校的申請量相當，約為 20%。對國內、外腦機接口主要申請人進行統計，分別梳理出排名前十的申請人。國內申請量前 10位中有 9所

6、大學，1家公司；國外申請量前 10 位中有 4 所大學，4 家公司，1 名個人和 1 家科研單位。國內主要申請人的專利申請量遠遠超出國外主要申請人的專利申請量。圖圖3 腦機接口專利申請人分類腦機接口專利申請人分類資料來源：劉義樂資料來源：劉義樂,李華芳李華芳.專利分析非侵入式腦機接口技術發展趨勢專利分析非侵入式腦機接口技術發展趨勢J.中國科中國科技信息技信息,2024,(01):31-34.8關鍵技術專利態勢關鍵技術專利態勢植入式：發展迅速，中美領銜發展植入式：發展迅速，中美領銜發展植入式電極作為控制神經活動狀態、記錄神經元細胞電信號的一種電極器件，極大促進了腦機接口技術的發展。結合技術發展特

7、點，以植入式電極為代表的植入式采集傳感技術專利發展趨勢可以劃分為萌芽期、起步期和發展期三個階段。如圖 1 所示，中國和美國占有全球植入式電極專利的絕大部分份額，分別是 42%和 39%，這源于當前以中國和美國為主的植入式腦機接口電極技術正在蓬勃發展，技術創新日益活躍。19571987 年是植入式電極發展的萌芽期。1957 年，Hubel 使用電化學刻蝕方法制備出機械強度明顯強于玻璃毛細管電極的鎢微絲電極，因為能穿透貓硬腦膜記錄神經元和軸突電信號，在神經科學和神經工程領域產生深遠影響。1967 年，Marg 首次提出用含有五根鎢微絲的電極陣列記錄多神經，從此9業界對神經元微探針的制備開展探索。在

8、此階段內，植入式微電極的形態多為金屬絲和微吸管神經元探針，但由于電極制造缺乏配套產業支撐，制備工藝無法滿足設計要求，從而導致此階段專利量較少，一定程度限制了技術的進步。在此階段全球的技術研發以美國為主，相關專利申請皆由美國申請人布局，中國在此階段尚無專利布局。圖圖4 植入式電極專利全球及中美申請占比和趨勢植入式電極專利全球及中美申請占比和趨勢資料來源：資料來源：周潔周潔,王淳佳王淳佳,張倩張倩.專利視角下植入式腦機接口電極技術發展趨勢分專利視角下植入式腦機接口電極技術發展趨勢分析析J.信息通信技術與政策信息通信技術與政策,2023,49(03):61-67.非侵入式：半干電極或為未來主流技術非

9、侵入式：半干電極或為未來主流技術根據腦電采集過程對大腦的侵入程度，腦機接口可分為侵入式、非侵入式與半侵入式。從腦機接口信號采集專利的申請發展趨勢來看，非侵入式腦機接口技術發展較早，2011 年開始即進入飛速發展期；侵入式腦機接口發展平穩，2019 年之后出現爆發式增長；半侵入式技術則起步較晚，2019年之后才引起人們的關注。非侵入式專利申請量占腦機接口信號采集專利總量的 50%，侵入10式專利申請量占比 41%，半侵入式腦機接口發展較慢，專利申請量占比 9%。對國內、外腦機接口專利申請量進行統計，我國在非侵入式、侵入式、半侵入式 3 種類型的腦機接口專利申請量都較為突出，占據申請的優勢。圖圖5

10、 腦機接口信號采集專利分布腦機接口信號采集專利分布技術路線方面，非侵入式腦機接口是腦機接口信息采集技術的主要方向之一，國內申請人在專利方面有一定的積累，特別是國內綜合實力較強的幾家公司，在濕電極、半干電極、干電極等方面均有專利布局；半干電極技術雖然發展較晚，但其結合了濕電極和干電極的優點，未來具有廣闊的前途，國內有實力的申請人應加大在該領域的投入，積極研發新型導電材料，搶占技術新高地。11專利運用轉化方面，國內雖然占據專利申請量的優勢，但在技術轉化和產品實際研發方面還存在短板，近期，關于腦機接口技術在實驗方面進展的報道，國外公司占比較多，國內腦機接口實驗進度方面還有待推進，一方面國內相關主體應

11、該加強技術溝通，形成專業聯盟，及早推出自己的腦機接口標準，強化在該領域的話語權；另一方面國內輿論也要對該新事物有所包容，以科學的態度看待技術創新，允許一定范圍內的嘗試、挑戰和失敗。資料來源：劉義樂資料來源：劉義樂,李華芳李華芳.專利分析非侵入式腦機接口技術發展趨勢專利分析非侵入式腦機接口技術發展趨勢J.中國科中國科技信息技信息,2024,(01):31-34.范式編碼：全球專利申請激增，中美領銜范式編碼：全球專利申請激增，中美領銜2023 年 5 月 29 日，腦機接口產業聯盟發布了腦機接口創新與知識產權研究報告。該報告分析了腦機接口領域關鍵技術的專利創新動態，以專利視角揭示腦機接口的創新發展

12、路徑。其中，在范式編碼技術方面，全球專利申請量近幾年呈現急劇增長的發展趨勢，當前范式編碼技術專利主要來源于中國、美國、韓國和日本。在信號解碼技術方面，中國和美國都是重要的腦機接口技12術原創地和目標市場所在地，腦機信號解碼專利數量明顯具有優勢，其中，遷移學習方法近幾年發展蓬勃，然而，隨著用戶以及政策對隱私問題的關注，如何在不泄露源用戶隱私的前提下進行遷移學習是亟待解決的問題。該報告也對相關領軍企業的專利策略進行了分析。例如，馬斯克旗下Neuralink，不僅圍繞全部產品進行全面的知識產權保護，也非常善于利用專利規則，將臨時申請優勢發揮到極致，在成果發布前既搶占先機賺足了眼球，同時又避免核心技術

13、過早泄露。張倩建議，腦機接口企業和科研單位在技術研發創新的同時，也要重視知識產權保護。一是需要提升專利撰寫質量，提高專利布局質量和授權概率；二是在重點技術分支方面持續跟進和創新，為適合自身發展的創新方向進行全面專利布局，借鑒領先企業的專利保護策略，將知識產權賦能企業價值發揮最大化。她強調，充分的專利儲備不僅能保護創新，還可為創新主體帶來更多優勢，比如許可、質押等專利運營活動，能提升無形資產價值，帶來經濟效益。資 料 來 源：腦 機 接 口 產 業 聯 盟 腦 機 接 口 創 新 與 知 識 產 權 研 究 報資 料 來 源：腦 機 接 口 產 業 聯 盟 腦 機 接 口 創 新 與 知 識 產

14、 權 研 究 報告告.2023.05.2913醫學應用腦機接口：我國專利申請居首醫學應用腦機接口：我國專利申請居首中國生物技術發展中心統計了 2013 年2022 年醫學領域的腦機接口專利申請情況。中國是腦機接口醫學應用專利公開數量最多的國家，為 602 件，高于美國（195 件）、韓國（119 件）等其他國家。Neurolutions 公司（34件）、天津大學（33 件）、華南理工大學（31 件）、加州大學系統（20 件）、清華大學（20 件）、西安交通大學（20 件）、中國科學院自動化研究所（18件）、浙江大學（18 件）、斯坦福大學（15 件）、Neurable 公司（14 件）是申請腦

15、機接口醫學應用專利數量排名前十的機構。目前，腦機接口醫學應用領域的技術研發國際上以企業為主；而我國以高校和研究機構為主，企業參與程度有待提高。關于腦機接口醫學應用的技術重點，具體如下：（1）神經狀態監測與神經疾病干預方法：該類專利涉及穩態視覺誘發電位、運動想象、p300 事件相關電位等信號編碼范式，基于多重信號開發混合腦機接口系統，完成情緒識別、注意力調控、神經功能刺激等操作，適用于注意力缺陷多動障礙、腦卒中、癱14瘓、阿爾茨海默病等神經與精神疾病的干預和輔助治療。（2）新型電極與產品：近年來，神經電極向柔性化、微小型化發展，以增加腦機接口產品的便攜性和適用范圍。英國 Neurolutions

16、 公司開發了一款頭戴式腦電耳機，可測量大腦信號來治療腦卒中（WOUS16061853）；上海交通大學開發的光電集成的一體化微針陣列式腦機接口器件，實現光電一體化集成，能夠實現對單點同時進行光電刺激和電記錄，并精確記錄光刺激信號，有效提高記錄神經信號的質量（CN114847957A）。（3）腦電數據處理算法和系統：運用機器學習算法能夠對腦機接口采集的數據進行分類、特征提取、數據融合和編碼等操作，例 如 基 于 頻 域 圖 卷 積 神 經 網 絡 的 運 動 想 象 腦 電 信 號 分 類 方 法（CN113476056A）、基 于 運 動 想 象 的 混 合 腦 機 接 口 特 征 提 取 方

17、法（CN114186608A）、基于小波變換的多模態腦機接口數據融合方法（CN114145752A）、基 于 位 點 等 效 增 強 的 腦 機 接 口 解 碼 方 法（CN114415842A）、用于快速和穩定的皮層內腦機接口解碼器的乘法遞歸神經網絡（US10223634B2）等。上述機器學習算法為腦電信號的采集、傳15輸、分析提供了支撐。資料來源：陳琪資料來源：陳琪,袁天蔚袁天蔚,張麗雯等張麗雯等.腦機接口醫學應用的研發現狀與趨勢腦機接口醫學應用的研發現狀與趨勢J.生生物醫學工程學雜志物醫學工程學雜志,2023,40(03):566-572.16領銜機構專利動態領銜機構專利動態HI LLC

18、：超前布局大量無創光采集專利：超前布局大量無創光采集專利在無創采集腦信號的技術，即在光穿過頭皮和顱骨并與大腦皮層相互作用之后，測量從頭皮和顱骨發射出的光子強度方面。業界所用方法包括：功能近紅外光譜成像法(INIRS)、單光子計數法、拉曼散射法、雙折射或光學活性測量法。其中 NIRS 設備可穿戴且便攜，不易出現運動偽影，研究大腦活動不需靜坐，是光采集手段中最為普及使用的方法。國內外研發和生產制造 INIRS 的廠商眾多，如美國 Kemel、日本Hitachi、我國丹陽慧創醫療設備有限公司等。荷蘭科研設備供應商 ArtinisMedical Systems 的 fNIRS 產品遍及 40 個國家的

19、 350 所大學、診所和公司，其產品通過 112 個NIRS 通道和 128 個腦電圖通道可同時測量腦組織中的電位、腦組織氧合和血容量變化，實現高時空分辨率下的大腦監測。除了 INIRS 之外，其他以光方式采集腦信號的技術手段鮮有產品誕生，值值17得注意的是此類技術的專利已經超前布局得注意的是此類技術的專利已經超前布局。美國 HILLC 公司從 2017 年開始，持續對利用光子光學相千斷層掃描、近紅外腦電采集、單光子計數方法、拉曼散射方法、雙折射和光學活性測量方法采集腦信號的技術申請大量專利技術申請大量專利，總量接近 500 件。保護的技術包括光子集成電路、光調制和解碼方法、光電探測器、信號處

20、理方法、數據壓縮方法、降噪屏蔽方法、工藝制造方法、測量方法等對算法和硬件及系統全面進行知識產權保護。圖圖 6 HI LLC 的光采集專利各受理局申請趨勢的光采集專利各受理局申請趨勢資料來源：中國信息通信研究院資料來源：中國信息通信研究院.腦機接口技術發展與應用研究報告（腦機接口技術發展與應用研究報告（2023年）年）.2023.12Neuralink：解碼模型無縫切換、特殊細胞直接移植：解碼模型無縫切換、特殊細胞直接移植2023 年5月，由埃隆馬斯克(Elon Musk)共同創立的神經科技初創公司Neuralink取得了FDA 批準其大腦植入物Link 的人體試驗，從而實現了一個18里程碑。這

21、一進展標志著腦機接口(BCI)行業的一項重大成就，因為此前還沒有其他 BCI 公司獲得 FDA的最終批準。Neuralink于2016 年成立，這家“開發植入式腦機接口”的 BCI 初創公司于2018年開始提交專利申請。其共有56 項專利出版物：18 項（已授權）專利，35項正在申請中，兩項已失效，一項已被駁回。標題為“使用藥筒的設備植入”的專利申請 US20210346687 被美國專利商標局以顯而易見性為由駁回。這些專利屬于23 個獨特的專利族。在這些專利族中，有11 項已獲授權，11項正在申請中，還有一項已失效。該公司還在歐洲專利局、日本、韓國、加拿大和澳大利亞提交了申請。圖圖 7 Ne

22、uralink 專利申請專利申請情況情況19圖圖 8 Neuralink 專利布局地區專利布局地區關鍵專利一：具有用戶界面 關鍵專利一：具有用戶界面(UI)感知控制器的腦機接口 感知控制器的腦機接口(BMI)（US11630516）該發明涉及腦機接口（BMI）設備，該設備可以被受試者植入或佩戴以捕獲和解碼來自大腦的神經信號。傳統的腦機接口（BMI）在解碼不同活動的神經信號方面面臨挑戰?，F有系統可能非常適合一種類型的活動，但在另一種活動中表現不佳，從而使其通用性較差。發明描述了一種動態BMI 系統，該系統可以根據受試者所從事的活該系統可以根據受試者所從事的活動在不同的解碼模型之間無縫切換動在不同

23、的解碼模型之間無縫切換。這種適應性是通過傳感器檢測活動變化并20將神經信號重新路由到最合適的解碼模型來實現的。此外，該系統可以實時檢測用戶的挫敗感或錯誤，并相應地調整其命令，從而提供更準確、響應更靈敏的界面。關于活動檢測。該系統可以確定受試者何時從一種活動切換到另一種活動（例如，從使用GUI 切換到操作機械臂），并相應地調整其解碼過程。關于實時反饋。如果系統檢測到錯誤或用戶沮喪，它可以禁止命令、切換解碼模型或發送取消命令來糾正操作。關于數據壓縮算法。根據檢測到的活動，系統可以動態選擇最合適的壓縮算法來傳輸神經數據。21該專利US11630516 于 2021年12 月 12日提交，并于 202

24、3 年4月18日獲得授權。圖圖 9 Neuralink 具有用戶界面 具有用戶界面(UI)感知控制器的腦機接口 感知控制器的腦機接口(BMI)關鍵專利二：基于細胞的腦機接口（關鍵專利二：基于細胞的腦機接口（US20230077899A1）該申請提出了一種將大腦與計算機連接的新方法。該系統不使用傳統的侵入方法或外部傳感器，而是將特殊細胞直接移植到大腦表面將特殊細胞直接移植到大腦表面。由大量神經元細胞組成的皮質移植層被移植到大腦的大腦皮層上。這些移植的細胞與大腦整合，通過發出光或電信號對外部刺激做出反應，從而可能提供一種更精確和生物相容的方式來記錄或刺激神經活動。然后可以記錄這些信號，從而允許生物

25、大腦22和計算機之間進行通信。該專利申請US20230077899A1 于2021 年12月8 日提交。資料來源：資料來源：PAROLA ANALYTICS.https:/ 年7月，中國科技巨頭華為宣布了針對腦部計算機界面（BCI）網絡應用程序的開創性專利，該專利申請號為CN116350174A（一種腦機接口裝置和信息獲取方法）。該專利概述了一種非侵入性系統，該系統采用傳感器網系統采用傳感器網絡來檢測大腦信號，然后將其傳輸到外部設備絡來檢測大腦信號，然后將其傳輸到外部設備。該專利還揭示了一種分析這些信號以辨別用戶意圖的創新方法。這種關鍵的進步使用戶能夠通過思想控制外部設備。此外，該系統旨在適應

26、能力，可滿足各種用戶的獨特需求。該專利涉及物聯網領域，該腦機接口包括光源、時域延遲模塊、波長相關分光模塊、傳感網絡和傳感前端；其中光源用于提供寬譜脈沖光列，時域延遲模塊用于將寬譜脈沖光列轉換為多波脈沖光列，波長相關分光模塊用于將多波23脈沖光列分解為稀疏脈沖光列，傳感網絡用于將稀疏脈沖光列發送給傳感前端的傳感點，傳感前端用于通過傳感點發送稀疏脈沖光列至目標大腦，以獲取傳感信息，從而通過使用寬譜脈沖光和時域延遲技術獲得了不同波長的探測光，無需設置多個光源，也不用增加對應的波長控制模塊，從而在保證腦機接口小型集成化的基礎上實現了腦機接口的高空間分辨率。資料來源：資料來源：Medium.https:

27、/ 提出了用于腦機接口(BCI)的無監督校準的系統無監督校準的系統和方法。一個實施例包括閉環重新校準(BCI)，其包括被配置成記錄大腦活動的神經信號記錄器和解碼器，所述解碼器包括處理器和存儲器，其中所述存儲器包含神經解碼器模型、推斷模型和解碼器應用，所述解碼器應用配置所述處理器以從所述神經信號記錄器獲得神經信號，使用所述神經24解碼器模型將所述神經信號轉換成用于通信地耦合到所述解碼器的接口設備的命令，使用所述推斷模型基于所述命令推斷用戶的預期目標，用推斷出的預期目標對神經信號進行標注，并將標注后的神經信號作為訓練數據重新訓練神經解碼器模型。圖圖10 斯坦福大學專利斯坦福大學專利WO202402

28、0571A1資料來源：資料來源：WO2024020571A1，公開日：，公開日：2024.01.2525歐洲發明家獎：植入式腦機接口助癱瘓患者進行思想交流歐洲發明家獎：植入式腦機接口助癱瘓患者進行思想交流 2023 年歐洲發明家獎中，來自澳大利亞的 Thomas Oxley 和 NicholasOpie 入圍，主要發明了 Stentrode，這是一種可植入的腦機接口（BCI），使癱瘓患者能夠通過思想進行交流（EP3364915 B1）。Stentrode 由微型支架和電極組成，電極通過頸靜脈插入靠近大腦控制感覺和運動活動區域的血管中。通過頸靜脈插入使外科醫生能夠到達大腦區域，通過頸靜脈插入使外

29、科醫生能夠到達大腦區域，而不必打開患者的頭骨并進行侵入性大腦手術。該裝置有回形針大小，設計成而不必打開患者的頭骨并進行侵入性大腦手術。該裝置有回形針大小，設計成像紋身一樣融入血管壁。像紋身一樣融入血管壁。根據Oxley 的說法，發明者有兩個靈光乍現的時刻：“第一個時刻是我們能夠將設備一直推過導管，并在大腦中打開。第二個時刻是，我們明確證明我們正在記錄實際的大腦信號?！痹撝踩胛镆言诎拇罄麃喅晒χ踩?4 人，在美國成功植入 3 人。它的潛在應用包括預防癲癇發作或控制震顫，治療阿爾茨海默病和帕金森病、抑郁癥、高血壓、成癮和強迫癥。Thomas Oxley 和 Nicholas Opie 創立了 Sy

30、nchron，這是一家專注于開發神經接口技術的醫療設備公司。26關于該技術，專利權人在11 個國家和地區進行了專利布局。27圖圖 11 腦機接口專利腦機接口專利EP3364915 B1 布局國家和地區布局國家和地區圖圖 12 回形針大小的回形針大小的腦機接口裝置通過腦機接口裝置通過頸靜脈插入頸靜脈插入大腦（大腦（EP3364915 B1）資料來源：資料來源：https:/www.epo.org/en/news-events/european-inventor-award/meet-the-finalists/thomas-oxley-and-nicholas-opie.2023.09.0528地址：上海市永福路265號郵編：200031編輯：楊四娟責編：路煒編審：林鶴電話：021-64455555郵件：網址：