腦機(jī)接口技術(shù)的專利分析

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心 吳瓊樂

腦機(jī)接口是一種涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的新穎人機(jī)交互技術(shù)，本文基于Incopat專利庫(kù)，對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)的專利進(jìn)行申請(qǐng)趨勢(shì)、技術(shù)生命周期、申請(qǐng)人排名、IPC申請(qǐng)趨勢(shì)、申請(qǐng)人國(guó)別等進(jìn)行分析及總結(jié)，可以為腦機(jī)接口領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)提供一定的情報(bào)參考。

腦機(jī)接口(BCI)技術(shù)是一種全新顛覆性的人機(jī)交互技術(shù)[1-3]。BCI由美國(guó)加州大學(xué)Jacques Vidal教授于1973年提出。1999年，第1屆國(guó)際BCI大會(huì)正式給出BCI定義：通過分析人或動(dòng)物的腦電信號(hào)而建立起來(lái)的交互系統(tǒng)[4，6]。近年來(lái)，醫(yī)學(xué)和電子信息的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)著BCI技術(shù)的深入研究，逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電子信息和軍事等眾多領(lǐng)域，從而引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)的熱潮。

專利信息在某種程度上可以反映出某種技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)成熟度以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[7]。基于腦機(jī)接口技術(shù)的專利信息，本文研究該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)動(dòng)向。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析工具

BCI交互是直接利用腦電(electroencepha logram，EEG)信號(hào)向計(jì)算機(jī)輸入字符，使用者在大腦中執(zhí)行想輸入的字符，同時(shí)采集EEG信號(hào)，接著對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行處理獲得輸出指令并顯示輸入字符，通過神經(jīng)反饋將顯示字符展示給使用者，判斷是否為想輸出的字符，進(jìn)而不斷調(diào)整和改進(jìn)[8]。該技術(shù)已經(jīng)促使包括數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域的交叉融合[9-10]。

本文以Incopat專利數(shù)據(jù)庫(kù)為來(lái)源。通過調(diào)研關(guān)鍵詞在檢索測(cè)試的結(jié)果，提煉出相應(yīng)中英文關(guān)鍵詞。使用檢索式“TIABC=((((腦機(jī)OR腦-機(jī))(S)(接口OR交互))OR((brain OR neural OR mind) (S) (computer OR machine)(S) interface) OR (neural (S)control(S) Interface) OR (direct(S) neural (S) Interface)))，初步檢索到相關(guān)專利數(shù)據(jù)6671條，接著剔除不符合研究范疇的文獻(xiàn)，使用DocDB同族合并，最終確定4424個(gè)專利家族。

2 專利數(shù)據(jù)分析

2.1 全球申請(qǐng)趨勢(shì)分析

通過分析不同年份的專利申請(qǐng)量，獲得專利申請(qǐng)趨勢(shì)，可以掌握某種技術(shù)在不同時(shí)期的專利申請(qǐng)變化情況。除特殊情況，專利數(shù)據(jù)從申請(qǐng)日到公布日，最長(zhǎng)存在18個(gè)月的滯后期，2021—2022年數(shù)據(jù)僅供參考。

根據(jù)圖1可知，2006年前，腦機(jī)接口技術(shù)處于萌芽狀態(tài)，每年的專利申請(qǐng)量不到40件；2007-2012年，腦機(jī)接口技術(shù)申請(qǐng)量逐年增加，從41件增加到168件，處于緩慢增長(zhǎng)期；2013年至今，腦機(jī)接口技術(shù)申請(qǐng)總量明顯增多，從217件增加到500件以上，處于快速增長(zhǎng)期。

圖1 腦機(jī)接口專利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.1 Brain computer interface patent application trend

2.2 技術(shù)生命周期分析

通過生命周期分析，可以判斷某種技術(shù)所處發(fā)展階段，由此推測(cè)出某種技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向和趨勢(shì)。

根據(jù)圖2可知，該技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：

圖2 腦機(jī)接口專利生命周期圖Fig.2 Brain computer interface patent life cycle diagram

（1）2006年之前萌芽期。腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展不確定，只有少數(shù)幾個(gè)企業(yè)參與技術(shù)研究與市場(chǎng)開發(fā)，雖然在2003—2004年出現(xiàn)申請(qǐng)人數(shù)量從38個(gè)增到81個(gè)，但2006年迅速降回2003年的30個(gè)，說明該技術(shù)發(fā)展遇到技術(shù)難點(diǎn)，陷入瓶頸。

（2）2007-至今發(fā)展期。1）2007-2012年的慢速發(fā)展期，申請(qǐng)人數(shù)量與申請(qǐng)數(shù)量呈波動(dòng)式增長(zhǎng)，表明再次遇到發(fā)展瓶頸，科研人員集中研究解決該技術(shù)的難點(diǎn)盲點(diǎn)；2）2013-至今的快速發(fā)展期。雖然在2013年出現(xiàn)申請(qǐng)人數(shù)量下降情況，然而申請(qǐng)數(shù)量卻一直處于增長(zhǎng)，尤其是在2018年申請(qǐng)數(shù)量從336件大幅增到566件，這說明腦機(jī)技術(shù)已經(jīng)提出新技術(shù)或方法并帶來(lái)重大技術(shù)突破，帶來(lái)該技術(shù)新一輪的增長(zhǎng)階段。

2.3 申請(qǐng)人排名分析

通過統(tǒng)計(jì)申請(qǐng)人的專利數(shù)量排名次序，可以分析出創(chuàng)新水平高以及研究成果多的專利申請(qǐng)人。

如圖3所示，從申請(qǐng)人類型看，在全球排名的前10位的申請(qǐng)人中包括9家高校，只有1家企業(yè)三星電子，表明腦機(jī)接口領(lǐng)域，目前還處于研究階段。從申請(qǐng)人國(guó)別看，8家申請(qǐng)人來(lái)自中國(guó)，剩余2家來(lái)自韓國(guó)，這表明目前中國(guó)和韓國(guó)處于專利申請(qǐng)領(lǐng)先地位。從申請(qǐng)數(shù)量看，即使排名第一的天津大學(xué)申請(qǐng)量也只有115件，而第4-10名申請(qǐng)量相差不大。這也就是說，腦機(jī)接口領(lǐng)域尚處于快速發(fā)展階段，正是搶占腦機(jī)接口市場(chǎng)藍(lán)海區(qū)域的最佳時(shí)機(jī)。

圖3 腦機(jī)接口專利申請(qǐng)人排名Fig.3 Ranking of brain computer interface patent applicants

2.4 IPC申請(qǐng)趨勢(shì)分析

IPC分類號(hào)根據(jù)專利申請(qǐng)涉及的技術(shù)方案所屬的領(lǐng)域來(lái)確定分類[11]，對(duì)IPC申請(qǐng)趨勢(shì)情況統(tǒng)計(jì)分析，可以甄別出該技術(shù)的重點(diǎn)及熱點(diǎn)領(lǐng)域[12]。如圖4所示的申請(qǐng)趨勢(shì)圖，其中圓圈越大表示專利數(shù)量越多。

圖4 腦機(jī)接口專利各IPC領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)Fig.4 Patent application trend of brain computer interfacepatents in IPC fields

根據(jù)圖4縱向趨勢(shì)可知，腦機(jī)接口技術(shù)的專利主要分布在G06F、A61B、G06N。最主要研究方向是讀取腦電信號(hào)，將其解碼成電子設(shè)備的控制信號(hào)，這與數(shù)據(jù)處理尤其是腦電信號(hào)緊密相關(guān)[13］；接著在醫(yī)學(xué)，如神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷、鑒定、治療和康復(fù)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值[14，15]；最后還應(yīng)用在智能通信領(lǐng)域，如用“意念”控制智能家電和無(wú)人駕駛，娛樂領(lǐng)域如與VR技術(shù)結(jié)合的腦機(jī)游戲[8，16，17]。

根據(jù)圖4橫向趨勢(shì)可知。2012年前，幾個(gè)領(lǐng)域的差距并不明顯，2013年后G06F和A61B領(lǐng)域的申請(qǐng)量明顯增長(zhǎng)，數(shù)量遠(yuǎn)大于其他幾個(gè)領(lǐng)域。2018年起G06N領(lǐng)域申請(qǐng)量爆發(fā)式增加，超過A61B領(lǐng)域，同時(shí)G06K也開始有一定規(guī)模申請(qǐng)量，這與找到全新的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)系。

2.5 專利申請(qǐng)人國(guó)別分析

某種技術(shù)的申請(qǐng)人國(guó)別的申請(qǐng)量越多，則意味著該國(guó)申請(qǐng)人在該技術(shù)的創(chuàng)新能力越高，也能在一定程度上反映出該國(guó)對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域的重視程度和技術(shù)實(shí)力[18]。

如圖5所示，申請(qǐng)人排名依次包括中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)等。目前中國(guó)以54.5%占比處于第一，我國(guó)在腦機(jī)接口領(lǐng)域研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)，但以高校為主，并未形成產(chǎn)業(yè)鏈。美國(guó)以18.91%占比緊隨其后，不僅是因2004年起美國(guó)開始投資研究BCI[19]，而且也因?yàn)槊绹?guó)企業(yè)進(jìn)軍腦機(jī)領(lǐng)域如2019年Neuralink公司發(fā)布腦機(jī)接口植入機(jī)器人[20，21]。注意到排名前10包括多個(gè)歐洲國(guó)家例如德國(guó)、英國(guó)等，說明歐洲的研發(fā)人員創(chuàng)新能力較強(qiáng)。

圖5 腦機(jī)接口技術(shù)專利各IPC領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人國(guó)別Fig.5 Countries of patent applicants in IPC fields for brain computer interface technology patents

3 結(jié)論

綜上所述，對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)的全球?qū)＠麛?shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯總和分析，得出以下結(jié)論：

（1）從申請(qǐng)數(shù)量和申請(qǐng)人數(shù)量而言，腦機(jī)接口技術(shù)在歷經(jīng)萌芽期和緩慢發(fā)展期后，迎來(lái)快速發(fā)展期，近20年經(jīng)歷了多次瓶頸期，帶來(lái)了多次新技術(shù)的突破。

（2）從申請(qǐng)人和申請(qǐng)國(guó)別而言，中國(guó)和美國(guó)一直處于領(lǐng)先地位，然而研究創(chuàng)新主體卻在各國(guó)高校。未來(lái)需要考慮與相關(guān)公司企業(yè)加強(qiáng)合作交流，推動(dòng)腦機(jī)接口領(lǐng)域的成果實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

（3）從申請(qǐng)技術(shù)領(lǐng)域而言，目前主要是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，側(cè)重在運(yùn)動(dòng)功能障礙康復(fù)[8，14，15]。可以預(yù)測(cè)，隨著研究的不斷深入，必將推動(dòng)腦機(jī)接口更多應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和逐步應(yīng)用在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，進(jìn)一步提高人類的生活質(zhì)量。

引用

[1]伏云發(fā),郭衍龍,張夏冰,等.腦-機(jī)接口——革命性的人機(jī)交互[D].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2020.

[2]GRAIMANN B,ALLISON B,PFURTSCHELLER G.Braincomputer Interfaces: revolutionizing human-computer interaction[D].Berlin:Springer Publishing Company,2013.

[3]ALLISON B Z,DUNNE S,LEEB R,et al.Towards Practical Braincomputer Interfaces:Bridging the Gap from Research to Realworld Applications[D].Berlin:Springer Publishing Company,2012.

[4]VIDAL J J.Toward Direct Brain-computer Communication[J].Annu Rev Biophys Bioeng,1973(2):157-180.

[5]VAUGHAN T M,WOLPAW J R.The Third International Meeting on Brain-Computer Interface Technology:Making a Difference[J].IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng,2006,14(2):126-127.

[6]高楠,傅俊英,趙蘊(yùn)華,等.腦機(jī)接口專利情報(bào)研究[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2016,16(1):144-150.

[7]劉偉,周巍,齊鳳青,等.基于專利的腦機(jī)接口技術(shù)創(chuàng)新力和競(jìng)爭(zhēng)力研究[J].中華醫(yī)學(xué)圖書情報(bào)雜志,2021,30(10):15-22.

[8]羅建功,丁鵬,龔安民,等.腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化和商業(yè)價(jià)值[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué),2022,39(2):405-415.

[9]YAO D Z,LIU T J,LEI X,et al.Electroencephalogram Based Brain-Computer Interface:Key Techniques and Application Prospect[J].Electronic Science and Technology of China,2009(38):550-554.

[10]朱玉連,梁思捷.腦機(jī)接口技術(shù)治療腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能障礙研究進(jìn)展[J].康復(fù)學(xué)報(bào),2020,30(2):162-166.

[11]KANG X X.Based on the Application Trend of Patent Intelligence Data Mining Research[D].Suzhou:Soochow University,2010:21.

[12]LI Y J.Generic Technology Patent Measurement and Characteristics Analysis[D].Beijing:Institute of Scientific and Technical Information of China,2012:32.

[13]劉久煜,張?jiān)虑?樸雪.腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r分析:基于文獻(xiàn)調(diào)研[J].衛(wèi)生職業(yè)教育,2019,37(19):133-135.

[14]龔瑜,藺俊斌,郝赤子,等.腦機(jī)接口在脊髓損傷康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2020,35(6):744-748.

[15]WOLPAW J R,MILLáN J,RAMSEY N F.Brain-computer interfaces:definitions and principles[J].Handb Clin Neurol,2020(168):15-23.

[16]MEHTA A.Applying brain computer interface technology for playing games[J].International Journal of Engineering and Management Research,2021,11(3):213-220.

[17]王繼龍.多類運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)識(shí)別方法研究及其在AR場(chǎng)景中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)春:東北電力大學(xué),2021.

[18]胡子琦,胡彩燕,馬鐲.醫(yī)療人工智能技術(shù)的專利情報(bào)研究[J].中國(guó)發(fā)明與專利,2022,19(07):29-35+43.

[19]堯德中.腦-機(jī)接口:如何從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2021,38(3):405-408.

[20]高越.美國(guó)腦機(jī)接口技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].信息通信技術(shù)與政策,2020(12):75-80.

[21]MUSK E.NEURALINK.An Integrated Brain-machine Interface Platform with Thousands of Channels[J].Journal of Medical Internet Research,2019,21(10):1-18.