腦機接口研究現(xiàn)狀與展望

張 敏，鄧玉婷，聶英男，王守巖

1 相關(guān)研究

腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）是在人腦與計算機或其他電子設(shè)備之間建立的直接的交流和控制通道［1］。1929 年，德國科學(xué)家首次通過電極記錄了大腦皮層電信號［2］，此后科學(xué)家們開始嘗試通過分析人腦電信號來解讀思維。關(guān)于腦機接口的研究則正式起步于20 世紀(jì)70 年代。1973 年，美國加州大學(xué)洛杉磯分校腦科學(xué)研究所的Jacques J.Vidal 首次評估了嘗試?yán)萌四X信號實現(xiàn)人機對話的可行性和實用性［3］。20 世紀(jì)90 年代，關(guān)于腦機接口的研究開始步入正軌。1999 年，美國紐約州衛(wèi)生署沃茲沃斯中心（the Wadsworth Center of the New York State Department of Health）主辦了第一屆BCI 國際會議。會上，來自美國、加拿大、英國、德國、奧地利和意大利的22 個研究小組回顧了腦機接口的研究情況、明確研究目標(biāo)、識別關(guān)鍵技術(shù)等［4］。

我國的研究起步雖較晚，但具有后發(fā)優(yōu)勢。我國關(guān)于腦機接口的研究起步于2001 年，清華大學(xué)研究團隊在第八屆國際神經(jīng)信息處理學(xué)術(shù)大會發(fā)表了1 篇關(guān)于基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的高傳輸率腦機接口系統(tǒng)的文獻(xiàn)［5］。我國政府同時在相關(guān)政策制定上也給予腦科學(xué)研究充分的支持，如《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》將“腦科學(xué)”寫入了國家戰(zhàn)略科技力量，將“類腦智能”作為謀劃未來產(chǎn)業(yè)的重要技術(shù)［6］。

就應(yīng)用層面而言，腦機接口最初應(yīng)用于癲癇的臨床診斷，后來的主要應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療健康，如肢體失能患者的康復(fù)治療、假肢控制、對新生兒腦損傷和腦發(fā)育的評估等。隨著技術(shù)的發(fā)展，腦機接口也逐漸被應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如智能家居設(shè)計、輔助軍事活動、自動駕駛等。

為了全方位探討國內(nèi)外腦機接口領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)以及前沿發(fā)展，本文對“腦機接口”這一核心概念進行檢索，并對檢索的多個學(xué)術(shù)文獻(xiàn)集進行數(shù)據(jù)清洗和主題規(guī)范，采用文獻(xiàn)計量、主題聚類、專利分析等方法，開展定量和定性分析，揭示腦機接口領(lǐng)域的國際研究現(xiàn)狀，為相關(guān)學(xué)者開展研究提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

本文以“腦機接口”為主題對學(xué)術(shù)文獻(xiàn)進行檢索與分析。選擇了收錄全球?qū)W術(shù)信息最重要的數(shù)據(jù)庫Web of Science 和完整收錄了100 多個國家及授權(quán)機構(gòu)專利信息的Orbit 專利檢索與分析系統(tǒng)，作為本文的數(shù)據(jù)源。

Web of Science 數(shù)據(jù)庫選擇SCI-E 和CPCI-S 子集。檢索式為：TS（主題）=（brain-computer or brain-machine or braincomputer or brainmachine）and（interface* or communicat*），文獻(xiàn)類型為論文（article）和綜述（review），出版年限定為截止2021 年（檢索時間為2022 年2 月20 日）。共檢索出14 968 篇相關(guān)論文。

Orbit 專利檢索與分析系統(tǒng)中檢索式為：（（（brain-computer OR brain-machine ）AND（interface+OR communicat+））OR 腦機接口），數(shù)據(jù)清理后，共檢索出2 618 項專利家族（包括申請+授權(quán)），檢索時間為2022 年2 月20 日。

3 腦機接口的研究現(xiàn)狀

3.1 發(fā)文趨勢

自1973 年美國學(xué)者首次提出腦機接口概念后至2021 年，將腦機接口的研究歷程劃分為4 個階段。圖1 清晰地展示了腦機接口主題學(xué)術(shù)論文的源起、萌芽、發(fā)展與爆發(fā)階段。

圖1 腦機接口研究領(lǐng)域的發(fā)文趨勢

3.1.1 萌芽階段

1973 年，美國學(xué)者首次提出腦機接口概念后，該主題的研究并未立即引起科學(xué)界的關(guān)注；20 世紀(jì)70、80 年代只有寥寥數(shù)篇，主要是受制于計算機科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)的發(fā)展，腦機接口仍然只能是一種科學(xué)設(shè)想，并沒有顯著進展。20 世紀(jì)90 年代，該主題的研究開始穩(wěn)定，學(xué)者主要關(guān)注腦電圖的深入分析，以及通過腦電圖幫助嚴(yán)重運動障礙患者與環(huán)境或計算機進行通信和交互，如基于腦電圖的光標(biāo)控制腦機接口［7］；1999 年該主題的文獻(xiàn)已經(jīng)增加到13 篇。腦機接口研究的萌芽階段提出的科學(xué)設(shè)想，成為后面腦機接口研究的主要內(nèi)容和主要方向。

3.1.2 加速階段

21 世紀(jì)，腦機接口的研究開始迅猛發(fā)力，論文數(shù)量呈現(xiàn)顯著上升態(tài)勢。從2000 年的34 篇增加到2009 年的541 篇，相比于第一階段，2000-2009年，腦機接口已穩(wěn)定發(fā)展為一個科學(xué)研究主題，并且越來越多不同學(xué)科的研究者參與其中。

第一階段主要研究方向是工程、神經(jīng)科學(xué)、計算機科學(xué)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)等方向，以理論探討為主；第二階段除了在工程、計算機科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)方向有穩(wěn)定的研究之外，康復(fù)治療、放射醫(yī)學(xué)影像、通信、自動控制系統(tǒng)、機器人等方向也開始產(chǎn)生不少研究成果。

期間，我國也開始了有關(guān)腦機接口的研究，大多是SSVEP 的腦機接口研究，始于2001 年關(guān)于基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的高傳輸率腦機接口系統(tǒng)研究［5］。

3.1.3 爆發(fā)階段

這個階段的發(fā)文量經(jīng)歷了3 次爆發(fā)式增長（2010-2011 年、2012-2013 年、2014-2015 年），最終形成了陡峭的曲線，并且達(dá)到了發(fā)文量的頂峰（2019 年的1 482 篇）。這個階段也是腦機接口研究的第一個黃金時期。

為了深入了解每次爆發(fā)式增長的具體情況，本文對這期間的高被引論文進行了分析，發(fā)現(xiàn)高被引論文從2011 年開始出現(xiàn)。2011 年關(guān)于優(yōu)化腦機接口實現(xiàn)方式的高被引論文受到了廣泛關(guān)注：分別是運用新型干式泡沫電極［8］、運用近紅外光譜（NIRS）［9］、提出更廉價的腦電圖方法［10］、開發(fā)能保持高空間分辨率的情況下對大腦的大片區(qū)域進行采樣的新設(shè)備［11］，這可能是引起爆發(fā)式增長的關(guān)鍵。2013 年大量學(xué)者關(guān)注腦機接口在臨床的應(yīng)用，如癱患者神經(jīng)假體控制［12］、慢性腦卒［13］等。2015 年的高被引論文提出了植入式柔性神經(jīng)組織的設(shè)計與實現(xiàn)［14］，自此侵入式腦機接口的研究開始迅猛發(fā)展。2017 年的高被引論文討論了利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)（Deep ConvNets）深度解碼腦電圖的潛力［15］，有力推進了腦機接口與人工智能技術(shù)的結(jié)合，開辟了更廣泛的研究方向。2019 年的高被引論文著重關(guān)注了腦機接口接入元件的創(chuàng)新設(shè)計。有學(xué)者指出腦機接口的通道數(shù)量限制了其發(fā)展，并設(shè)計了一款多達(dá)3 072 個通道、體積小、精度高的腦機接口系統(tǒng)［16］，開啟了高通道數(shù)、微型級可植入元件腦機接口的大量研究。也有學(xué)者從仿生學(xué)角度出發(fā)，改進了神經(jīng)探針設(shè)計［17］，為新一代腦機接口的發(fā)展提供理論依據(jù)。

3.1.4 穩(wěn)定應(yīng)用階段

腦機接口發(fā)文量在2019 年達(dá)到1 482 篇的峰值后，2020 年和2021 年連續(xù)回落，但還是保持在1 200 篇以上的穩(wěn)定狀態(tài)，這說明腦機接口的現(xiàn)有研究基本穩(wěn)定，而近兩年可能沒有突破性的進展和新方向。

結(jié)合腦機接口專利的全球申請情況（圖2），發(fā)現(xiàn)腦機接口技術(shù)在2000 年以前，由于還處于理論和實驗室研究的萌芽時期，不具有實用性，所以沒有專利申請；但是2001 年以后，隨著研究的深入，腦機接口首先結(jié)合醫(yī)療，開始了應(yīng)用性研究，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也開始了專利布局；近10 年（2012 年至今），腦機接口的專利申請爆炸式增長，且并未呈現(xiàn)出類似學(xué)術(shù)論文的回落或者趨于平穩(wěn)（專利提交申請到公開可查詢有一段時間滯后，導(dǎo)致2021年數(shù)據(jù)不全），說明目前腦機接口的研究開始進入應(yīng)用爆發(fā)期。高校和研究機構(gòu)、國家、相關(guān)企業(yè)紛紛投入腦機接口技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)、市場布局、產(chǎn)業(yè)化等方面，重點應(yīng)用也擴展到智能醫(yī)療、腦科學(xué)、人工智能等多個產(chǎn)業(yè)。

圖2 腦機接口專利家族的最早申請年分布

目前正處于的第四個階段（2020 年以后）是否能成為腦機接口廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的黃金期呢？其實專利的爆發(fā)只能說明相關(guān)技術(shù)已經(jīng)具備了可用性和可實施性，是否能真正廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。這一點中國市場有明顯缺陷，目前腦機接口專利最大市場——中國市場絕大多數(shù)的專利權(quán)人是高校。眾所周知，中國高校的專利轉(zhuǎn)化效率較低，有學(xué)者2021 年統(tǒng)計推算，中美兩國高校的專利轉(zhuǎn)化率數(shù)值分別為6%和50%［18］，我國高校高質(zhì)量專利的培育和轉(zhuǎn)化亟待企業(yè)、政府、高校和科研機構(gòu)多方投入和支持。腦機接口專利的其他重要市場，如美國市場和歐洲市場，其專利權(quán)人的類型比較多元，大學(xué)與企業(yè)比例相當(dāng)，是一種更成熟、更有利于產(chǎn)業(yè)化的專利市場。

3.2 主要國家或地區(qū)研究現(xiàn)狀

截至2021 年，腦機接口學(xué)術(shù)論文發(fā)文量排名前10 位的國家/地區(qū)包括：美國發(fā)文量3 713 篇，占總發(fā)文量的28.83%，處于明顯領(lǐng)先地位；中國發(fā)文量2 699 篇，占20.96%；接下來依次為德國（1 286 篇）、日本（1 024 篇）、韓國（841 篇）、英國（822 篇）、意大利（671 篇）、印度（670 篇）、西班牙（582 篇）、加拿大（570 篇）。從發(fā)文量上看，美國和我國有很大差距。美國的發(fā)文量是在2003 年爆發(fā)式增長后，和其他國家拉開了明顯差距，2019 年達(dá)到最高峰，此后2020 年、2021 年發(fā)文量明顯下降；中國的發(fā)文量是在2015 年之前與德國、日本、韓國相當(dāng)，但是2015 年之后開始迅猛增長，2019 年趕上并超過了美國，并且此后仍然保存增長；德國和日本的研究高峰都在2015 年，此后都呈現(xiàn)出發(fā)文減少趨勢；韓國基本處于緩慢增長趨勢。整體而言，除中國之外，腦機接口在全球其他主要研究國家或地區(qū)的研究熱度開始穩(wěn)定回落，由于缺少創(chuàng)新突破性研究進展，主要是在各自研究方向上繼續(xù)優(yōu)化和應(yīng)用。腦際接口在中國的研究熱度還在持續(xù)，但如果未來1～2 年同樣缺少創(chuàng)新突破性研究進展，我國的研究熱度可能也會回落。

近5 年（2017-2021 年），中、美兩國的發(fā)文量分別為1 607 篇和1 407 篇，相較其他國家而言遙遙領(lǐng)先，說明中國的腦機接口研究熱點仍然在持續(xù)。近5 年發(fā)文量占比最高的是印度（434 篇，占64.78%），說明印度的相關(guān)研究也正處于非常好的發(fā)展勢頭。美國（1 407 篇，占37.89%）、德國（437 篇，占33.98%）、日本（364 篇，占35.55%）的發(fā)文量較低，說明這些國家的研究已處于緩慢增長期，熱度開始回落。

表1 顯示，美國重點的研究方向有工程學(xué)、康復(fù)治療、心理學(xué)、放射醫(yī)學(xué)影像、生物化學(xué)與分子生物學(xué)等方向；中國重點的研究方向有計算機科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、電子通信、自動控制系統(tǒng)、機器人、數(shù)學(xué)與計算生物學(xué)、儀器儀表、化學(xué)、物理等方向；德國重點的研究方向有神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、放射醫(yī)學(xué)影像、醫(yī)學(xué)信息學(xué)等方向，其中神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)方向的研究尤其突出；日本重點的研究方向為電子通信、機器人等方向；韓國重點的研究方向為儀器儀表、化學(xué)等方向；印度重點研究方向有電子通信，且研究能力很強，與美國和中國相當(dāng)。分析每個國家或地區(qū)的重點研究方向，不僅能夠看到每個國家或地區(qū)的研究特色，也有利于有針對性地尋找潛在合作伙伴。

表1 腦機接口研究發(fā)文量排名前十的國家/地區(qū)的主要研究方向分布

值得特別注意的是，美國在“康復(fù)治療”這一研究方向的發(fā)文量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家，說明美國已經(jīng)將腦機接口應(yīng)用于醫(yī)學(xué)治療中，并且有顯著的研究成果。與其他研究方向相比，中國在“康復(fù)治療”領(lǐng)域的發(fā)文量偏低，說明中國的研究仍然處于理論研究階段，離實際應(yīng)用還有一定距離，這也側(cè)面印證了中國在腦機接口領(lǐng)域的研究還處在發(fā)展上升期。“康復(fù)治療”這一領(lǐng)域很可能是腦機接口研究的前沿方向，我國研究人員應(yīng)該重點關(guān)注該領(lǐng)域。

3.3 優(yōu)勢機構(gòu)及市場分析

3.3.1 主要研究機構(gòu)

表2 羅列的是截止2021 年，學(xué)術(shù)論文發(fā)表量排名前20 位的研究機構(gòu)的相關(guān)情況。

其中，美國7 所，中國3 所、德國、英國2所，新加坡、奧地利、韓國、法國、日本、瑞士各1 所。美國在腦機接口領(lǐng)域的研究力量雄厚。上述主要的研究機構(gòu)，都已經(jīng)形成比較核心的研究團隊。德國的圖賓根大學(xué)和柏林工業(yè)大學(xué)、英國的埃塞克斯大學(xué)和帝國理工學(xué)院、新加坡南洋理工大學(xué)、奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)、韓國高麗大學(xué)、法國國家科學(xué)研究中心、日本理化學(xué)研究所、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，以及中國的科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等都有比較核心的研究團隊。

進一步聚焦近5 年（2017-2021 年）的研究情況，發(fā)現(xiàn)奧地利的格拉茨技術(shù)大學(xué)、德國的柏林工業(yè)大學(xué)、日本理化學(xué)研究所、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等機構(gòu)近5 年發(fā)文量下降明顯，進一步驗證了歐洲及日本的整體研究放緩。中國近5 年發(fā)文量猛增，除了中國科學(xué)院和清華大學(xué)之外，天津大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安交通大學(xué)成為了后起之秀，說明近5 年這些機構(gòu)在腦機接口方面的研究取得了明顯進步。同時，近5 年發(fā)文最多的是印度理工學(xué)院，發(fā)文量激增到排名第4，說明印度也開始在腦機接口研究方面加大研究投入，并取得了不錯的成績。美國的研究機構(gòu)近5 年發(fā)文也比較平穩(wěn)，略有下降。這和美國開始關(guān)注腦機接口的應(yīng)用有一定關(guān)系，更多的研究投入在完善相關(guān)醫(yī)療技術(shù)、開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品、更多和企業(yè)合作等方面。

3.3.2 主要技術(shù)市場

專利的市場覆蓋面（受保護國）分析結(jié)果顯示，中國是腦機接口最大的技術(shù)市場，49.8%的專利（1 304 項）在中國受到保護，其次是美國（479項）、歐洲（238 項），另外韓國、日本、印度、德國、英國、加拿大市場也有相關(guān)的專利權(quán)布局。通過按世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）技術(shù)領(lǐng)域分類標(biāo)準(zhǔn)聚類，腦機接口專利主要涉及計算機技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)兩大技術(shù)領(lǐng)域，其他還包括控制技術(shù)、處理技術(shù)、家具游戲、電信、數(shù)字通信、視聽技術(shù)、測量、傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

進一步詳細(xì)分析中國、美國、歐洲市場的專利，可以發(fā)現(xiàn)在專利權(quán)人方面的差異。首先，中國市場主要的專利權(quán)人都是高校，包括天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、南方科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、東南大學(xué)、重慶大學(xué)、華南理工大學(xué)等。其次，我國高校大量的專利目前只在國內(nèi)申請保護，很少主動在全球其他國家申請保護，也極少通過申請專利合作條約（patent cooperation treaty，PCT）而進入其他國家市場。這一方面說明我國高校的科研人員專利保護意識不高，而且對專利技術(shù)后續(xù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化缺乏興趣；另一方面也說明我國大部分高校的專利質(zhì)量一般，缺少市場吸引力。

美國市場主要專利權(quán)人有HI 公司、加州大學(xué)、高麗大學(xué)財團、斯坦福大學(xué)、法國原子能委員會（CEA）、A*STAR 研究所、休斯研究實驗室、IBM公司、Gearbox 公司、麻省理工學(xué)院等。與中國市場相比，美國市場的專利權(quán)人中大學(xué)僅占少部分，不少企業(yè)、研究機構(gòu)比較活躍。

歐洲市場主要專利權(quán)人有HI 公司、法國原子能委員會（CEA）、加州大學(xué)、NextMind 公司、A*STAR 研究所、法國科學(xué)研究中心、休斯研究實驗室、Inner Cosmos 公司、Neurable 公司、Neurolutions 公司等。歐洲市場的專利權(quán)人中大學(xué)的占比更低，以企業(yè)和研究機構(gòu)為主。

雖然腦機接口相關(guān)專利按申請量排名，靠前的專利權(quán)人中，中國高校占了近80%，且申請量巨大，但是其中真正有價值的專利并不多。本文對全部2 618 項專利中進行了PCT 申請的475 項專利詳細(xì)再分析。結(jié)果顯示，475 項PCT 專利中，只有天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、南方科技大學(xué)、清華大學(xué)等中國機構(gòu)。更多的是美國機構(gòu)，如加州大學(xué)、麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)、紐約大學(xué)、華盛頓大學(xué)、布朗大學(xué)等美國高校；HI、NextMind、Neurolutions、BrainGate、Neurable、Google 等美國企業(yè)。同樣是腦機接口的研究大國，美國和中國的差距一目了然。美國高校和企業(yè)都非常積極推動其科學(xué)技術(shù)在海外市場的保護，歐洲、中國、日本都是他們非常重視的市場。

4 腦機接口的研究熱點

4.1 主要國家的研究方向

整體來看，腦機接口的研究優(yōu)勢主要在美國、中國、德國、日本和韓國等國家或地區(qū)，這些國家或地區(qū)的研究特點如圖3 所示。

圖3 腦機接口研究主要優(yōu)勢國家的研究方向

美國在腦機接口領(lǐng)域的研究起步較早，理論方面已趨于成熟，多集中在基礎(chǔ)領(lǐng)域，如對腦機接口各種類型、實現(xiàn)方式的探索，重點研究了腦電圖這一信號平臺的應(yīng)用，應(yīng)用方面的研究比其他國家涉獵更深更廣。理論研究的代表機構(gòu)是美國加州大學(xué)，該機構(gòu)學(xué)者尤其重視改進腦機接口的相關(guān)技術(shù)，如對可穿戴干式腦電圖設(shè)備實時神經(jīng)成像的研究［19］、對用于增強穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位檢測的新型數(shù)據(jù)驅(qū)動空間濾波法的研究［20］等。應(yīng)用研究的代表機構(gòu)則是美國賓夕法尼亞聯(lián)邦高等教育系統(tǒng)（以匹茲堡大學(xué)為主），早在2013 年，有關(guān)學(xué)者已經(jīng)在“癱瘓患者通過腦機接口實現(xiàn)假體控制”方面取得了突破性研究成果［12］。

中國的優(yōu)勢研究領(lǐng)域較為集中，主要是工程學(xué)、計算機科學(xué)。具體而言，研究集中在對腦機接口實現(xiàn)方式的更優(yōu)化和創(chuàng)新，如對具有高溝通率腦機接口的研究［21］、對P300 與穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位相結(jié)合的腦機接口系統(tǒng)的研究［22］都引起了廣泛關(guān)注。另外，中國關(guān)注腦機接口識別人腦狀態(tài)或情緒的應(yīng)用，并在檢測駕駛員是否疲勞［23］、意識障礙患者的情緒識別［24］等方面進行了實踐。其中，中國科學(xué)院和清華大學(xué)近年的研究側(cè)重于基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機接口的實現(xiàn)原理與應(yīng)用。中日兩國在腦機接口方面的合作研究成果顯著，在理論方面具有突出貢獻(xiàn)，尤其是多篇有關(guān)對腦機接口分類改進等系列文章，如在解碼事件相關(guān)電位（ERPs）分類中引入ALSDA 方法［25］、在腦電圖分類中引入稀疏貝葉斯方法［26］。

德國的研究重點在于將腦機接口應(yīng)用于疾病治療，如慢性腦卒患者的運動功能改善［13］和癱瘓患者的意識溝通［27］。從關(guān)鍵詞詞頻來看，圖賓根大學(xué)的研究側(cè)重于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，并且已經(jīng)將成果大量應(yīng)用于臨床試驗，另外在心理學(xué)領(lǐng)域的涉獵程度也相對較高。柏林工業(yè)大學(xué)比較重視對新理論、新方法的討論，比如開發(fā)用于解碼事件相關(guān)電位的新框架［28］、對多元神經(jīng)影像學(xué)中線性模型權(quán)重向量的解釋［29］。

日本的研究中重要文獻(xiàn)多是與他國機構(gòu)合作產(chǎn)出，尤其是和中國學(xué)者。從關(guān)鍵詞詞頻來看，日本腦機接口研究中最多的文獻(xiàn)產(chǎn)自于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，其次是工程學(xué)、計算機科學(xué)領(lǐng)域。而韓國側(cè)重于研究基于近紅外光譜（NIRS）和功能近紅外光譜（fNIRS）的腦機接口。

4.2 技術(shù)創(chuàng)新熱點領(lǐng)域

專利更準(zhǔn)確地反映了科學(xué)研究中的技術(shù)創(chuàng)新。從2 618 件專利家族的概念聚類可以看出上述研究熱點與技術(shù)創(chuàng)新緊密聯(lián)系，但專利家族的概念分析能夠更清晰地看到腦機接口的主要產(chǎn)業(yè)地帶。腦機接口的技術(shù)創(chuàng)新主要集中在8 個熱點領(lǐng)域（圖4）。

圖4 腦機接口研究領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)概念聚類

大腦：腦機接口旨在建立大腦與機器之間通信的橋梁，因此大腦本身在腦機接口技術(shù)中具有核心作用。與大腦相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)主要集中在腦電信號、電極、信號放大等方向，此類技術(shù)是腦機接口的基石。

腦電信號采集技術(shù)：由于大腦內(nèi)神經(jīng)元活動的本質(zhì)是電活動，因此目前絕大多數(shù)腦機接口均選擇腦電信號作為研究的切入點。關(guān)于腦電信號采集的創(chuàng)新技術(shù)主要集中在信號采集設(shè)備、信號采集方法、信號預(yù)處理方法等方面。

誘發(fā)電位：誘發(fā)電位指的是神經(jīng)系統(tǒng)經(jīng)過一定刺激后被誘發(fā)出的響應(yīng)信號，此類信號的出現(xiàn)相對可控、特征明顯、區(qū)別度高，因此是目前腦機接口研究中重點關(guān)注的一類信號。關(guān)于誘發(fā)電位的創(chuàng)新技術(shù)主要集中在視覺誘發(fā)、刺激方式、穩(wěn)態(tài)電位等方向。

運動想象：人腦在想象肢體的不同運動時會產(chǎn)生特征性的放電模式，基于此現(xiàn)象可實現(xiàn)對大腦控制意圖的判別。此類腦機接口不需要依賴外部設(shè)備的刺激，完全由用戶自主想象控制。關(guān)于運動想象的創(chuàng)新技術(shù)主要集中在運動想象、實驗范式等方向。

特征提取：特征提取是腦機接口領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。腦電信號中蘊含著豐富的信息，但腦電信號噪聲大、隨機性強，如何從中提取編碼信息的特征便尤為關(guān)鍵。關(guān)于特征提取的創(chuàng)新技術(shù)主要集中在時頻分析、濾波器、特征向量等方向。

分類識別：分類識別技術(shù)與特征提取一樣，同為腦機接口領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。其作用是由特征向量最終分類識別出用戶的神經(jīng)狀態(tài)或控制意圖。關(guān)于分類識別的創(chuàng)新技術(shù)主要集中在機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模型訓(xùn)練等方向。

控制技術(shù)：控制技術(shù)是腦機接口技術(shù)的延伸，通過腦機接口識別出用戶意圖之后，需要控制技術(shù)來驅(qū)動計算機或機械設(shè)備，最終發(fā)揮腦機接口的作用。關(guān)于控制技術(shù)的創(chuàng)新技術(shù)主要集中在機器人、控制指令、無線通信等方向。

康復(fù)治療應(yīng)用：康復(fù)治療是目前腦機接口技術(shù)的主要應(yīng)用方向。關(guān)于康復(fù)治療的創(chuàng)新技術(shù)主要集中在康復(fù)訓(xùn)練及康復(fù)輔助上，前者通過腦機接口技術(shù)強化康復(fù)訓(xùn)練效果，后者通過腦機接口技術(shù)控制機械輔助或代替患者做出動作。

5 腦機接口的研究展望

腦機接口經(jīng)過將近半個世紀(jì)的發(fā)展，目前已經(jīng)成為當(dāng)下的熱門研究主題。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，對不同主題、不同機構(gòu)、不同國家研究的新穎性、持久性以及成長性進行分析評測，可以發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域近年來新產(chǎn)生的高使用率和具有發(fā)展?jié)摿Φ闹黝}方向，也可以看到一些研究水平突出且未來也非常有競爭力的研究機構(gòu)。通過利用德溫特數(shù)據(jù)分析軟件（Derwent Data Analyzer，DDA）對14 968 篇論文數(shù)據(jù)進行清洗，總結(jié)歸納了若干腦際接口的新興研究主題、新興研究機構(gòu)和國家/地區(qū)。

5.1 新興研究主題

關(guān)于大腦（brain）的研究位于新興趨勢的榜首，足見大腦本身在腦機接口領(lǐng)域的核心地位，同時也反映了目前學(xué)界對于大腦功能機制的了解仍然處在比較初級的階段。目前任務(wù)研究（task analysis）及任務(wù)相關(guān)成分分析（task-related component analysis）仍是對大腦功能及機制研究的主要方法，此類方法通過一系列專門設(shè)置的任務(wù)激活大腦的不同功能并對其工作機制進行研究。

薈萃分析（meta-analysis）及系統(tǒng)綜述（systematic review）均屬于對特定領(lǐng)域內(nèi)眾多研究成果的歸納及綜合分析方法。前者強調(diào)使用統(tǒng)計的方法對特定條件下的相同問題的不同研究結(jié)果進行分析，綜合已有研究得出科學(xué)的結(jié)論；后者強調(diào)對領(lǐng)域內(nèi)研究脈絡(luò)的梳理和歸納，并對領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進行預(yù)測。

大腦建模（brain modeling）為腦機接口領(lǐng)域的新興研究主題，指的是通過數(shù)學(xué)和計算機的方法建立模型，對大腦的功能和狀態(tài)進行分析預(yù)測。在這一主題下，利用新興的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建模的研究占主導(dǎo)地位，包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network）、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep neural network）及長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（long short-term memory，LSTM）。

頻帶能量（band power）、皮層肌肉相干性（corticomuscular coherence ）及 瞬 時 相 位（instantaneous phase）3 個主題均屬于常規(guī)的數(shù)字信號處理的方法，說明在機器學(xué)習(xí)等新興方法之外，相對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法仍在腦機接口領(lǐng)域中占有一席之地。

片上系統(tǒng)（system on chip）指單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)；儀表放大器（instrumentation amplifier）指高精確性和穩(wěn)定性的微弱信號放大電路；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks）指分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)。腦機接口技術(shù)屬于交叉學(xué)科研究，上述3 個微電子及電子工程領(lǐng)域的主題在腦機接口研究中具有重要的支撐作用。

雖然腦機接口技術(shù)目前遠(yuǎn)沒有發(fā)展成熟，但研究人員已開始進行腦機接口應(yīng)用的探索，相關(guān)研究已成為領(lǐng)域內(nèi)的新興研究主題。關(guān)于腦機接口應(yīng)用的新興研究主要集中在語音合成（speech synthesis）和神經(jīng)康復(fù)（neuro-rehabilitation）方向。

5.2 新興研究機構(gòu)

同樣，基于DDA 新興指數(shù)，從國家/地區(qū)層面看，在未來一段時間，中國在腦機接口領(lǐng)域?qū)⒄宫F(xiàn)卓越的競爭力，美國和韓國緊隨其后，哈薩克斯坦也有非常突出的研究團隊，英國、日本、澳大利亞、印度、法國的競爭力也不錯，意大利、加拿大、西班牙、葡萄牙也有少數(shù)不錯的研究團隊。從機構(gòu)層面看，在未來一段時間，傳統(tǒng)的優(yōu)勢機構(gòu)會繼續(xù)保持競爭力，如中國的中國科學(xué)院、天津大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)，美國的加州大學(xué)圣地亞哥分校，德國的圖賓根大學(xué)，韓國的高麗大學(xué)等，也有一些近年出現(xiàn)的新興機構(gòu)，如中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（中國）、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院（中國）、琶洲實驗室（中國）、托馬爾理工學(xué)院（葡萄牙）、納扎爾巴耶夫大學(xué)（哈薩克斯坦）、賈瓦哈拉爾·尼赫魯大學(xué)（印度）、高雄醫(yī)科大學(xué)（中國臺北）、香港大學(xué)（中國香港）、中山大學(xué)（中國）、悉尼科技大學(xué)（澳大利亞）、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（美國）、索邦大學(xué)（法國）、謝菲爾德大學(xué)（英國）等。我國研究人員也可以同時關(guān)注這些機構(gòu)的研究，考慮更廣泛的國際合作，提升國際競爭力。

6 結(jié)語

我國正在加快實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，在關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域進行原創(chuàng)性、引領(lǐng)性的科技攻關(guān)顯得越來越重要。腦際接口技術(shù)已然成為了關(guān)鍵核心技術(shù)之一，它不僅具有重要的戰(zhàn)略意義，同時也具有廣闊的應(yīng)用前景。本文希望通過學(xué)術(shù)成果所展現(xiàn)的客觀數(shù)據(jù)，開展多維度分析，聚焦國家、機構(gòu)、技術(shù)領(lǐng)域、應(yīng)用領(lǐng)域等，梳理現(xiàn)有研究狀況，并文本分析展望新興研究主題和研究機構(gòu)。但目前的研究細(xì)粒度只是文獻(xiàn)單元，下一步可以深入到文獻(xiàn)內(nèi)容開展更多合作研究。