专利 | 《脑机接口专利关键技术白皮书》深度解读！全球技术竞争格局与未来趋势展望

脑机接口是指在大脑与计算机或其他外部设备之间建立的交流和控制通道，通过这种通道，用户可以直接通过大脑思维来表达想法或操纵设备。随着脑机接口的发展，其定义和范畴也不断充实和扩展。脑机接口不仅能够实现大脑向外部设备的信息输出，也可以通过电、磁、光、声等形式的刺激向大脑输入信息。因此，脑机接口是在生物脑与智能机器之间建立信息交流的直接通道，既可以解读脑部信号、控制外部设备，也可以将信息编码输入大脑，从而替代、修复、增强或改善脑功能，以实现大脑与智能机器的双向交互、协同工作及功能融合。

脑机接口系统组成及关键技术

脑机接口通过采集与脑功能相关的信号，并利用预处理、特征提取和模式识别等信号处理方式实现对大脑活动状态或意图的解码，并根据解码结果与外部设备通信或控制外部设备，同时，可以把大脑活动状态、解码结果、与外部通信或控制结果反馈给用户，进而调节大脑活动以获得更好的性能。可见，脑机接口涉及的关键技术包括信号采集、信号解码、脑控外设以及神经调控等。另外，脑机接口技术还包括由专用芯片或通用芯片实现的接口器件，其主要用于对采集到的脑电信号进行前端处理，包括放大器、滤波器、模数转换器等。

图1：脑机接口系统组成

1. 信号采集

信号采集是核心组成部分，涉及信号类型包括脑电信号、脑磁信号、功能性磁共振成像（fMRI）、功能性近红外光谱（fNIRS）和脑生化信号等。其中，脑电信号应用最广，按采集方式可分为：

• 非侵入式：通过头皮表面电极记录，操作简便、安全性高，适合长期监测。

• 半侵入式：电极置于硬膜外或硬膜下，贴近大脑皮层无需穿透脑组织，手术风险低、可移除性强，适用于短期临床监测。

• 侵入式：通过外科手术将电极直接植入大脑皮层或深部脑组织，时空分辨率高，适用于复杂神经活动解码。

2. 信号解码

信号解码包括预处理、特征提取、特征分类、脑功能解析四个步骤：

• 预处理：去除噪音、剔除伪迹，提高信噪比。

• 特征提取：根据特定脑功能任务相关的神经信号规律提取特征。

• 特征分类：使用模式识别技术或机器学习算法训练分类模型。

• 脑功能解析：利用分类模型解析大脑活动状态或意图，以控制外部设备或开展神经调控。

3. 脑控外设

脑控外设是与脑机接口通信或可控制的外部设备，系统通过读取神经信号并转换为控制指令实现操控。目前主要应用于用户界面便捷操作、机器人及无人驾驶等智能设备自动控制，以及虚拟现实、智慧医疗、智能家居等场景。基于应用场景，其技术主要包括对机器人、用户界面、驾驶设备、虚拟现实设备和医疗健康设备的控制技术。

4. 神经调控

神经调控是利用无创或有创方式，采用物理（电、磁、光、超声等）或化学手段，对神经元或神经网络信号传导发挥兴奋、抑制或调解作用，以提高患者神经功能、改善生活质量的生物医学工程技术。

（1）无创神经调控

主要包括经颅磁刺激、经颅超声刺激和经颅电刺激。传统经颅磁刺激和经颅电刺激已广泛应用于临床，可改善运动性障碍、提高运动能力，但空间分辨率低、无法刺激深部脑组织，难以满足精准定位需求；经颅超声刺激尚处于研究早期，缺乏长期临床数据。

图2：无创神经调控

（2）有创神经调控

具有空间分辨率高、可精准聚焦特定组织等特点，近年来发展迅速，主要包括脑深部刺激（DBS）、脊髓电刺激（SCS）、骶神经刺激（SNS）、迷走神经刺激（VNS）、人工耳蜗、人工视网膜。

其中，人工耳蜗和人工视网膜属于人工假体：

• 人工视网膜：利用摄像头拍摄影像并转为电信号，传至植入眼内的电极，通过对视神经的电刺激将视觉信号转达至大脑形成视觉。

• 人工耳蜗：由麦克风将声音转换成电信号，经言语处理器编码后传送到植入耳内的电极，电极取代耳蜗中病变毛细胞直接刺激听神经产生听觉，目前技术已较成熟，是治疗重度聋至全聋的常规方法。

  

  图3：有创神经调控

  脑深部刺激、脊髓电刺激、骶神经刺激、迷走神经刺激的刺激器结构基本相同（含植入式脉冲发生器、电极，距离较远时用延长导线连接），区别主要在电极植入部位和治疗疾病，具体如下表：

表1：神经刺激器的电极植入部位和治疗的疾病

总的来看，对于信号采集、信号解码、脑控外设、神经调控以及接口器件等脑机接口技术分支，信号采集与信号解码以及对应的接口器件是产业应用的技术基础，神经调控和脑控外设则直接面向产业链下游应用市场和消费终端，产业需求与科技供给“双向奔赴”的发展前景广阔。

本白皮书针对脑机接口关键技术进行专利分析，主要研究内容如下：

（1）对脑机接口领域国内外专利竞争态势进行分析，从申请趋势、竞争地域、竞争对手、技术布局等方面展开分析，明晰创新态势、核心对手、技术热点等情况，并分析国内产业发展现状以及优势和短板。

（2）分析脑机接口关键技术演进发展，围绕植入式脑电信号采集、脑深部刺激、脊髓电刺激等关键核心技术，以技术发展迭代、主要竞争主体或关键细分技术为切入点，梳理相关专利技术发展情况，同时与重要上市产品关联分析，发现与核心产品相关的专利布局和发展情况。

（3）对脑机接口领域的技术分支进行梳理，通过对不同的关键技术进行结构或功能分解，绘制脑机接口技术分解图。

图4：脑机接口技术分解

1. 整体申请态势：快速增长，信号解码专利最多

全球专利申请数据显示，脑机接口领域累计专利申请已达66615 项（各技术分支申请数据去重合计）。其中，信号解码相关申请达 36244 项，信号采集 18226 项，神经调控 14218 项，脑控外设 10473 项，接口器件 3388 项。

自上世纪七十年代萌芽以来，脑机接口专利申请持续增长，尤其近十年保持快速增长态势。

图5：脑机接口全球专利申请统计（按技术分支，单位：项）

图6：脑机接口全球专利申请整体趋势

注：专利从申请到公开可以有18个月的时间，故图中2023、2024年做虚化处理以表示真实数据待更新

2. 2000 年以来各技术分支态势：信号解码增长显著，脑控外设与神经调控比肩

2000 年以来，随着智能算法、信号融合等关联技术创新发展，信号解码、信号采集及对应接口器件日趋活跃，信号解码尤为显著。神经调控近十年趋向平稳增长，脑控外设近十年逐步增长至与神经调控可堪比肩的水平。

图7：2000年以来脑机接口各技术分支下全球专利申请态势

注：专利从申请到公开可以有18个月的时间，故图中2023、2024年做虚化处理以表示真实数据待更新

3. 主要技术来源地：中美驱动，美国技术输出强，中国单一市场领先

以专利族最早优先权国别统计，美国首次提交的专利申请达19107 项，全球同族专利申请平均数 3.87 件；中国首次提交的专利申请达 25821 项，全球同族专利申请平均数 1.11 件。可见，美国是重要技术来源地，中国在单一市场专利申请居首。

近十年国内专利申请迅猛增长，在信号采集、信号解码、脑控外设、接口器件四个技术分支下成为全球居首的专利申请来源地；神经调控领域，尽管2021 年起国内申请量超美国，但美国仍是全球最主要来源地。此外，韩国、日本专利申请数量靠前，澳大利亚在神经调控领域位列全球第三。

图8：各技术分支2000年以来主要技术来源地的申请趋势

注：专利从申请到公开可以有18个月的时间，故图中2023、2024年做虚化处理以表示真实数据待更新

4. 国内科研院所专利转让：近十年活跃，神经调控转让比例最高

国内科研院所在脑机接口领域的授权专利共5347 项，其中 473 项转让给企业，转让比例 8.85%，且随年份呈增长态势，近十年明显活跃。转让比例为8.85%

图

表2示出了国内脑机接口各技术分支科研院所向企业转让专利的情况，其中，神经调控的专利转让比例最高，为10.37%，其次为脑控外设，为7.04%；信号解码和信号采集的专利转让总量虽然相对较多，但因授权专利基数较大，专利转让比例相对较低。

各技术分支转让情况如下表：

在转让人方面，深圳先进技术研究院的转让数量最多，共转让34项，其次为清华大学和华南理工大学，分别转让33和31项。具体来看，转让数量最多的深圳先进技术研究院以产学研合作的方式与上海联影医疗科技有限公司、重庆云脑医疗科技有限公司、深圳微灵医疗科技有限公司等多家企业进行联合技术研发，形成了服务于产业创新需求的技术供给；清华大学和华南理工大学的专利转让对象则主要是其科研团队自主孵化的企业，清华大学的受让人主要为北京品驰、常州瑞神安，华南理工大学的受让人主要为华南脑控（广东）智能科技有限公司。

图10：国内科研院所面向企业的专利转让趋势

当前，脑机接口专利技术蓬勃发展，科技创新活跃。中美在全球专利技术发展中发挥重要驱动作用，国内科研院所和科创企业发展迅速，海外龙头企业优势明显，来华申请主要涉及神经调控和信号采集领域。

1. 信号采集领域：脑电采集是重点，侵入式增长更快

• 脑电信号采集是专利布局重点，非侵入式因无创伤和安全性，专利申请占比最高且增长稳定；侵入式因高分辨率，近十年专利申请增幅更快。美国来华申请以侵入式脑电采集占比更高。

• 侵入式脑电采集：硬质电极仍是重要工具，技术改进聚焦提高生物相容性、改进工艺等；柔性电极因良好生物相容性和柔韧性成为热点，研究重点是组合材料实现与脑组织力学适配；多功能集成电极（如信号采集与神经调控结合）成新热点，创新空间广阔。

• 非侵入式脑电采集：电极包括干电极、湿电极和半干电极，通过增加密度、改善材料等提升性能，实现设备小型化与穿戴式集成。重要创新主体呈差异化布局，如天津大学构建多层次布局，皇家飞利浦聚焦睡眠监测等。

2. 神经调控领域：有创占优，关键技术存专利壁垒

有创神经调控占据专利优势，脑深部刺激、脊髓电刺激是热点。中国创新主体专利申请进入全球前十，但美敦力、波士顿科学等海外龙头数量优势显著。

• 脊髓电刺激：已进入闭环感知调控阶段，基于诱发复合动作电位（ECAP）信号是关键技术，但核心技术被国外企业掌握，国内面临专利壁垒。ECAP 信号在脑深部刺激中的运用及适应症拓展（如运动障碍、认知障碍等）是趋势，专利壁垒尚未形成，前景广阔。

• 脑深部刺激：精准刺激是主流方向，美敦力、波士顿科学、Neuropace 各有技术路径。美敦力 BrainSense 技术围绕脑电信号突破闭环调控，波士顿科学开创方向性电极，Neuropace 专注癫痫预测。诱发共振神经活动信号尚处研究早期，或成国内技术切入点。

• 人工智能应用：Neuropace 将 AI 用于癫痫预测，相关技术专利布局处于初期。国内在 AI 与大脑信号结合预测疾病方面有成熟成果，可借 AI + 脑机接口实现弯道超车。

未来，我国创新主体需找准方向、深耕研发、推动产业应用，同时增强专利保护意识、强化布局能力，构建高质量专利生态体系，在国际竞争中赢得优势。

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