近日，中國(guó)信通院正式發(fā)布《腦機(jī)接口總體愿景與關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告(2022年)》(以下簡(jiǎn)稱：“報(bào)告”)，報(bào)告全面論述了腦機(jī)接口發(fā)展現(xiàn)狀，提出了“腦智芯連，思行無礙”的總體愿景目標(biāo)，總結(jié)了腦機(jī)接口系統(tǒng)需要滿足 “準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定、易用、安全”五大需求，給出了系統(tǒng)性能和可用性兩組關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)，分析了采集技術(shù)、刺激技術(shù)、范式編碼技術(shù)和解碼算法技術(shù)等4種核心技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，并就腦狀態(tài)檢測(cè)、神經(jīng)調(diào)控和對(duì)外交互3類重要應(yīng)用場(chǎng)景下的腦機(jī)系統(tǒng)給出具體指標(biāo)建議。報(bào)告最后就腦機(jī)接口未來應(yīng)用和市場(chǎng)發(fā)展規(guī)模進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并給出了未來發(fā)展展望。FABesmc

　　腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)

　　腦機(jī)接口作為新興技術(shù)，為大腦與外部直接交互提供了新的解決思路，在新一輪的技術(shù)升級(jí)中被給予厚望。腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)落地有賴于關(guān)鍵技術(shù)的突破和革新。目前全球在腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)研究方面發(fā)展蓬勃，但依然存在亟需解決的若干問題。對(duì)此，業(yè)界也正在嘗試多種手段予以突破。FABesmc

　　《報(bào)告》指出，腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)包括采集技術(shù)、刺激技術(shù)、范式編碼技術(shù)、解碼算法技術(shù)、外設(shè)技術(shù)和系統(tǒng)化技術(shù)。其中，采集技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)包括采集端和信號(hào)處理端。采集端常規(guī)技術(shù)手段包括電采集、磁采集、近紅外采集等手段，其中電采集為主流研發(fā)方向，磁和近紅外等采集技術(shù)因?yàn)槌杀竞图夹g(shù)成熟度等制約，距離應(yīng)用落地相對(duì)更遠(yuǎn)。信號(hào)處理端涉及模擬芯片和數(shù)字芯片。由于當(dāng)前腦機(jī)接口系統(tǒng)所用的數(shù)字芯片多為行業(yè)通用芯片，所以《報(bào)告》重點(diǎn)介紹了模擬芯片的發(fā)展等。FABesmc

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圖 腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)FABesmc

腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景按照信息流向分為腦狀態(tài)檢測(cè)、神經(jīng)調(diào)控和對(duì)外交互三類。從信息流向來看，腦狀態(tài)檢測(cè)是信息從大腦流向外部和外設(shè)，神經(jīng)調(diào)控則是信息從外部和外設(shè)流向大腦，而對(duì)外交互則是信息的雙向流動(dòng)，因此重點(diǎn)圍繞信息的利用、交互和反饋來介紹腦機(jī)接口系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的典型應(yīng)用以及系統(tǒng)在各方面性能上的需求。FABesmc

　　腦機(jī)接口系統(tǒng)芯片需求

　　《報(bào)告》指出，隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展以及電路與神經(jīng)科學(xué)融合研究的持續(xù)探索，腦信號(hào)采集技術(shù)朝著微型化、輕量化、高通量、分布式采集的方向不斷前進(jìn)。針對(duì)腦機(jī)接口的應(yīng)用、算法、硬件以及范式的研究?jī)?nèi)容也逐漸豐富，植入式與非植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)通過電極與采集硬件對(duì)腦信號(hào)進(jìn)行采集、處理和解碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腦科學(xué)基礎(chǔ)理論、腦疾病以及腦控外設(shè)的探索與研究。腦信號(hào)采集芯片是將腦信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的核心硬件，也是腦信號(hào)讀取與解碼，腦部疾病診斷與調(diào)控所依賴的工具。FABesmc

　　針對(duì)腦部信號(hào)的生理特性以及應(yīng)用場(chǎng)景，在定制化腦信號(hào)采集芯片設(shè)計(jì)過程中存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。精密放大器是腦信號(hào)采集芯片中的核心模塊，在腦機(jī)接口應(yīng)用場(chǎng)景中需要滿足多重技術(shù)參數(shù)要求。對(duì)于腦信號(hào)來說，其幅值微弱(幾十μV到幾個(gè) mV)、頻率低(0.5Hz 到數(shù) kHz)，因此易受外界噪聲干擾，從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量不佳。為了保持最佳的信號(hào)質(zhì)量，腦信號(hào)采集模塊的部分關(guān)鍵參數(shù)，例如信號(hào)噪聲、共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)、增益匹配、運(yùn)動(dòng)偽影等需要優(yōu)化。多個(gè)腦信號(hào)采集參數(shù)之間存在相互制約的關(guān)系，多參數(shù)的統(tǒng)籌優(yōu)化是當(dāng)前腦信號(hào)采集芯片設(shè)計(jì)的核心問題之一。FABesmc

　　信號(hào)噪聲是腦信號(hào)采集過程中最大的干擾源之一。由于前端放大器的閃爍噪聲與腦信號(hào)在頻譜上部分重疊，采取簡(jiǎn)單的濾波工作難以提取純凈腦信號(hào)，因此對(duì)較低頻率的腦信號(hào)使用斬波放大技術(shù)，將所采集的信號(hào)調(diào)制到較高頻率以避開放大器的閃爍噪聲。斬波技術(shù)在交流耦合儀表放大器中實(shí)現(xiàn)了良好噪聲和功耗平衡，但放大器的輸入阻抗在斬波調(diào)制過程中會(huì)降低到兆歐范圍以下，導(dǎo)致信號(hào)在進(jìn)入放大器前產(chǎn)生衰減。為解決輸入阻抗降低的問題，有團(tuán)隊(duì)提升了正反饋回路的輸入阻抗。還有團(tuán)隊(duì)采用電容組對(duì)輸入阻抗升壓回路的電容進(jìn)行校準(zhǔn)，也有團(tuán)隊(duì)采用調(diào)整電路耦合的方式來切換斬波器和輸入電容的位置，避免因斬波調(diào)制導(dǎo)致的輸入阻抗降低。FABesmc

　　共模抑制比是衡量系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境干擾的關(guān)鍵參數(shù)。針對(duì)微弱腦信號(hào)，高共模抑制比可以保證信號(hào)不被共模擾動(dòng)(共模擾動(dòng)也稱共模干擾，是電源線對(duì)環(huán)境中的電子設(shè)備產(chǎn)生的一種干擾)掩蓋，從而提高信號(hào)質(zhì)量。此外，在多通道神經(jīng)信號(hào)采集過程中，由于電極在植入大腦后產(chǎn)生的一系列生物相容性問題，導(dǎo)致電極阻抗可能隨植入時(shí)間增多而明顯提升(數(shù)個(gè)月后可高達(dá) 100kΩ至數(shù)MΩ)，繼而影響腦信號(hào)的信噪比以及系統(tǒng)共模抑制比。為保證采集信號(hào)質(zhì)量，前端放大器電路采用共模反饋技術(shù)以及共模前饋技術(shù)以提高系統(tǒng)級(jí)共模抑制比。FABesmc

　　采集芯片的微型化設(shè)計(jì)是植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)核心技術(shù)挑戰(zhàn)之一。為了將采集芯片縮小至可植入的尺寸范圍，針對(duì)片上有源/無源器件的微型化是相關(guān)研究中的技術(shù)難題。具有電容耦合的全差分放大器結(jié)構(gòu)通過采用晶體管搭建的偽電阻(Pseudo Resistor)結(jié)構(gòu)可大幅縮小片上無源器件的面積，同時(shí)偽電阻提供了較大的阻抗以及較低的高通截止頻率，適合設(shè)計(jì)微型化的腦信號(hào)采集芯片。采用時(shí)分復(fù)用/正交頻分復(fù)用等技術(shù)通過固定的采集單元對(duì)多個(gè)通道的腦信號(hào)進(jìn)行同步采集，也可明顯降低片上面積。FABesmc

　　針對(duì)不同的腦機(jī)接口應(yīng)用以及采集芯片面對(duì)的一些技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外有許多團(tuán)隊(duì)提出了解決方案。例如針對(duì)采集過程中的電極間直流偏置引起斬波放大器輸出飽和的問題，一種直流伺服反饋回路技術(shù)通過積分器將輸出端的直流分量提取并反饋至輸入端，有效抑制了電極間的直流偏置。對(duì)于采集芯片的超低功耗需求，有團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于反相器結(jié)構(gòu)的超低壓斬波放大器，非常適合植入式場(chǎng)景。針對(duì)芯片微型化的問題，放大器與 DAC結(jié)合的數(shù)字-模擬混合反饋技術(shù)可大幅縮小采集芯片的片上面積。針對(duì)腦信號(hào)采集過程中的共模干擾問題，基于電荷泵(chargepump)的共模反饋技術(shù)通過對(duì)輸入端的共模擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋，能有效抵抗高達(dá) 15V的共模擾動(dòng)。對(duì)于采集芯片的無線供電問題，線圈的無線電感傳輸技術(shù)被應(yīng)用在植入式腦機(jī)接口芯片中，通過外部傳輸線圈以及中繼線圈和片上耦合線圈，實(shí)現(xiàn)了對(duì)體內(nèi)采集芯片的無線供電以及采集到的腦電信號(hào)無線傳輸。體表網(wǎng)絡(luò)無線傳輸技術(shù)(Bodyareanetwork，BAN)解決了無線供電時(shí)線圈難對(duì)準(zhǔn)的問題，利用被試者的身體表面對(duì)采集到的信號(hào)以及能量進(jìn)行無線傳輸，適用于可穿戴的腦機(jī)接口場(chǎng)景。在提升系統(tǒng)集成度方面，目前已有將信號(hào)采集、存儲(chǔ)、以及基于 AI的信號(hào)歸類識(shí)別等模塊集成在一起的腦機(jī)接口片上系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了較高的系統(tǒng)集成度。針對(duì)于高通量植入式腦機(jī)接口芯片，有些公司設(shè)計(jì)了帶有動(dòng)作電位識(shí)別的高集成度采集芯片，該芯片與數(shù)千個(gè)柔性電極相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高通量腦信號(hào)的采集。FABesmc

　　未來展位

　　《報(bào)告》介紹，經(jīng)過數(shù)十年的科學(xué)探索與技術(shù)論證，腦機(jī)接口已從科幻成為科學(xué)，并處于從科學(xué)研究到產(chǎn)業(yè)落地的關(guān)鍵時(shí)期。就腦機(jī)接口目前的發(fā)展情況，在今后一段時(shí)間，腦機(jī)接口的基礎(chǔ)學(xué)科研究和應(yīng)用落地都將得到 長(zhǎng)足發(fā)展，從而有望促進(jìn)腦機(jī)接口市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。FABesmc

　　技術(shù)展望FABesmc

　　在基礎(chǔ)學(xué)科研究方面，一方面，腦機(jī)接口技術(shù)自身受外界成熟條件影響得以長(zhǎng)足發(fā)展，由于神經(jīng)科學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的不斷成熟完善，腦機(jī)接口技術(shù)在采集、刺激、編碼和解碼等方面取得進(jìn)一步突破，腦機(jī)接口產(chǎn)品的“準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定、易用、安全”能力有效提升;另一方面，腦機(jī)接口技術(shù)將加速神經(jīng)技術(shù)與類腦計(jì)算技術(shù)的融合，助力腦科學(xué)研究更好的認(rèn)清大腦工作機(jī)理，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)大腦、解碼大腦和調(diào)控大腦的目的。當(dāng)前腦科學(xué)研究在大腦學(xué)習(xí)、情感記憶等機(jī)理研究方面達(dá)到突破閾值，未來可能在高級(jí)智能方向形成大力突破，進(jìn)而對(duì)當(dāng)前以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的人工智能技術(shù)造成顛覆性影響，引發(fā)以人工智能為代表的計(jì)算技術(shù)革新。FABesmc

　　應(yīng)用展望FABesmc

　　在應(yīng)用方面，腦機(jī)接口的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用實(shí)踐將具有顯著的社會(huì)效益。體現(xiàn)在：一是促進(jìn)人民健康生活水平質(zhì)量提升，特別是對(duì)神經(jīng)疾病群體(漸凍癥、癲癇、帕金森等)生活質(zhì)量改善起到顯著推動(dòng)作用，推動(dòng)醫(yī)療、康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化;二是推動(dòng)前沿科技創(chuàng)新，人才短缺、老齡化嚴(yán)重威脅、抗災(zāi)救援等問題一直困擾人類生活，人類能力的增強(qiáng)對(duì)于彌合差距和滿足行業(yè)需求至關(guān)重要，腦機(jī)接口技術(shù)將推動(dòng)人體增強(qiáng)和替代技術(shù)發(fā)展，對(duì)人類生活和社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生顛覆性影響。三是助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展，腦科學(xué)與多領(lǐng)域融合將呈現(xiàn)應(yīng)用行業(yè)廣、輻射范圍大的特點(diǎn)。FABesmc

　　市場(chǎng)展望FABesmc

　　盡管當(dāng)前腦機(jī)接口核心軟硬件產(chǎn)品全球市場(chǎng)估算在十多億美元，神經(jīng)調(diào)控軟硬件產(chǎn)品全球市場(chǎng)規(guī)模約百億美元，但如滿足報(bào)告所提出的愿景，則有助于推動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的數(shù)字療法走向應(yīng)用，屆時(shí)則撬動(dòng)達(dá)到數(shù)千乃至萬億規(guī)模的睡眠調(diào)控、消費(fèi)娛樂、神經(jīng)疾病治療市場(chǎng)。根據(jù)中國(guó)殘聯(lián)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)肢體殘疾 2472萬人，視覺障礙群體將近 1800萬，有聽力殘疾人數(shù)達(dá) 2780萬人。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)老年癡呆患病率有 6%，抑郁癥和焦慮癥的患病率接近 7%，其它神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者過千萬，并隨著老齡化程度提高而快速增長(zhǎng)。因此預(yù)測(cè)神經(jīng)重塑、神經(jīng)替代、神經(jīng)調(diào)控腦機(jī)接口技術(shù)將擁有數(shù)十萬億規(guī)模的市場(chǎng)空間。FABesmc

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