【精选报告】脑机接口专题三：脑机接口专利关键技术白皮书（附PDF下载）

复旦大学&国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心：
《脑机接口专利关键技术白皮书》

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《脑机接口专利关键技术白皮书》由复旦大学与国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心联合发布，以全球脑机接口（BCI）专利为核心研究对象，系统梳理了技术发展脉络、专利竞争态势及关键技术突破，聚焦信号采集、神经调控两大核心领域，为国内技术研发与产业布局提供精准情报支撑。

一、脑机接口技术框架与研究背景

（一）技术核心定义与系统组成

脑机接口是大脑与外部设备的直接通信通道，通过 “信号采集 - 信号解码 - 脑控外设 - 神经调控” 四大核心环节，实现大脑意图解读（如控制轮椅、假肢）与神经功能干预（如治疗帕金森病），同时依赖接口器件（放大器、滤波器等）完成信号前端处理。其中：

• 信号采集
  ：核心为脑电信号（占比最高），按侵入程度分为非侵入式（头皮电极，安全便捷）、半侵入式（硬膜外 / 下电极，平衡风险与精度）、侵入式（皮层 / 深部电极，高时空分辨率）；
• 信号解码
  ：通过预处理（去噪）、特征提取、分类模型训练，将脑信号转化为控制指令；
• 脑控外设
  ：覆盖机器人、VR/AR、智能家居等，实现脑控交互；
• 神经调控
  ：分无创（经颅磁 / 电刺激）与有创（脑深部刺激 DBS、脊髓电刺激 SCS），用于疾病治疗与功能修复。

（二）研究背景与方法

1. 政策与产业驱动
   ：全球多国将脑科学列为战略重点，美国 “脑计划”（2013 年启动）、欧盟 “人脑计划”（2013 年启动）持续投入；我国 “科技创新 2030 - 脑科学与类脑研究” 重大项目分两期推进（2021 年一期、2025 年二期），2024 年工信部等七部门将脑机接口定义为未来产业，预计 2033 年全球市场规模突破百亿美元。
2. 研究方法
   ：基于全球专利数据库（检索截止 2024 年 12 月 31 日），采用 “分 - 总” 检索思路，按技术分支（信号采集、解码、调控等）汇总专利数据集，结合统计分析、对比分析与可视化，梳理技术演进与竞争格局。

二、全球脑机接口专利竞争整体态势

（一）专利申请总体格局：解码与采集为核心，中美主导

1. 技术分支分布
   ：全球累计专利申请 66615 项（去重后），信号解码（36244 项）占比最高，其次为信号采集（18226 项）、神经调控（14218 项）、脑控外设（10473 项）、接口器件（3388 项），反映 “解码为核心、采集为基础” 的技术逻辑。
2. 时间趋势
   ：2000 年后专利申请加速增长，近十年进入爆发期 —— 脑控外设增速最快，逐步追平神经调控；信号解码因 AI 算法突破（如深度学习）持续领跑。
3. 地域竞争
   ：

• 美国
  ：技术来源地核心，首次申请专利 19107 项，全球同族专利均值 3.87 件（技术辐射力强），神经调控领域仍保持数量优势（占全球有创调控专利超 60%）；
• 中国
  ：单一市场申请量全球第一（首次申请 25821 项），但同族专利均值仅 1.11 件（国际化布局不足），近十年在信号采集、解码、脑控外设、接口器件四大分支跃居全球首位，仅神经调控仍落后于美国；
• 其他国家
  ：韩国、日本在消费级无创领域活跃，澳大利亚在神经调控（SCS）领域跻身全球前三。

（二）中国专利申请特点

1. 增长动力
   ：近十年国内申请占比超 85%，国内创新主体贡献 25628 项（占比 82.6%），美日欧韩为主要来华申请来源（美国 1170 项，占神经调控来华申请 23.9%）。
2. 技术倾斜
   ：神经调控领域国外来华申请占比最高（超 20%），且多聚焦 DBS、SCS 等有创技术；国内科研院所专利转让集中近十年，转让比例 8.85%，深圳先进技术研究院、清华大学、华南理工大学为主要转让方，受让企业以联影医疗、北京品驰等为主。

三、信号采集关键专利技术：脑电为核心，侵入式成热点

（一）全球专利态势：脑电采集占主导，侵入式增速领先

1. 技术分支分布
   ：全球信号采集专利 18226 项，脑电采集占比超 50%（非侵入式 9617 项、侵入式 2552 项），远超脑磁图、fNIRS 等技术，是产业布局重点。
2. 趋势特点
   ：

• 非侵入式
  ：因安全性高，专利申请长期稳定增长，中美日为主要来源地（中国 3743 项、美国 2004 项），近十年中国增速显著，韩国呈增长态势；
• 侵入式
  ：因高分辨率优势，近十年增幅（年均 15%）高于非侵入式（年均 8%），中美仍为核心来源地（中国 988 项、美国 657 项），美国来华申请中侵入式占比更高（超 30%）。

• 非侵入式：皇家飞利浦（全球第一，聚焦睡眠监测，如 SmartSleep 深睡眠头带）；
• 侵入式：美敦力（全球第一，布局柔性电极与多功能集成）、武汉衷华脑机（国内第一，65000 通道高通量植入系统）。

（二）侵入式脑电采集技术：从硬质到柔性，多功能集成

1. 硬质电极
   ：仍为重要工具（机械稳定性强、工艺成熟），核心技术围绕两类展开：

• 犹他电极
  ：美国犹他大学 1989 年首创（专利 US5215088A），Blackrock Neurotech 收购后推出 Move Again 系统（2021 年获 FDA 突破性认定），专利改进聚焦生物相容性（如聚对二甲苯涂层）、结构优化（三维布局）；
• 密歇根电极
  ：美国密歇根大学 1970 年提出，演进为 Neuropixels 开源项目（2017 年 1.0 版、2021 年 2.0 版），专利改进侧重纵深排布（提升密度）、多探针阵列（三维梳状结构）。

• 国际：Neuralink 为核心，2019 年基础专利（US20200085375A1）提出聚酰亚胺柔性阵列，配套 N1 植入物（1024 通道，2023 年 FDA 批准人体试验），专利覆盖电极结构、封装工艺；
• 国内：上海脑虎（蚕丝蛋白电极，CN113616211B）、清华大学（碳纳米管复合电极，CN117158981A）、武汉衷华脑机（复合微针结构，CN115153565B）。

• 信号采集 + 神经调控
  ：美敦力 SenSight™电极（DBS 治疗 + 脑信号感知，2022 年中国获批）、北京华科恒生（集成电刺激与药物递送，CN113349738A）；
• 血管内电极支架
  ：Synchron 全球首创（Stentrode™，2021 年 FDA 批准永久植入试验），通过颈静脉植入无需开颅，专利布局覆盖支架结构、信号感测（US10575783B2 等）；国内上海神奕医疗（CN118217528A）、武汉衷华脑机（CN119344740A）跟进布局。

（三）非侵入式脑电采集技术：便捷化与场景化

非侵入式电极分干电极（便捷但阻抗高）、湿电极（信号好但繁琐）、半干电极（兼顾两者），核心创新主体呈现差异化布局：

• 天津大学
  ：构建多层次布局，涵盖基础电极（弹性干电极 CN113974637B）、光学传感器（无源柔性光学电极 CN109124626B）、多功能集成（脑电 - 肌电同步采集 CN118557200A），2023 年研发 8 通道国产脑电芯片；
• 皇家飞利浦
  ：聚焦睡眠监测，产品如 SmartSleep 头带（延长深睡眠）、Alice 6 LDE 睡眠诊断系统，专利改进接触稳定性（弹性带电极 CN102596021B）、佩戴舒适性（柔性贴片 US11147494B2）；
• 神念科技（NeuroSky）
  ：消费级市场核心，TGAM 芯片（集成干电极与消噪功能）支撑 MindWave 系列脑电仪，专利覆盖电极接触（偏置弹簧干电极 US8301218B2）、信号解码（专注度 / 放松度量化）；
• 浙江强脑科技（BrainCo）
  ：非侵入式 + AI 融合，固态凝胶电极（2017 年量产）支撑智能仿生手（2022 年 FDA 批准）、深海豚安睡仪（闭环睡眠干预），专利优化佩戴稳定性（CN115708688A）与多模态刺激（热敷 + 光照 CN217186166U）。

四、神经调控关键专利技术：有创为主导，DBS 与 SCS 成热点

（一）全球专利态势：有创占优，中美差距显著

1. 技术分支分布
   ：全球神经调控专利 14218 项（去重后），有创调控占比超 70%，其中 DBS（脑深部刺激）、SCS（脊髓电刺激）、人工耳蜗为核心；无创调控（经颅磁 / 电刺激）因精度限制，专利占比低但中国已成为首要技术来源地。
2. 地域竞争
   ：

• 美国
  ：有创调控绝对领先，DBS 专利 2891 项（占全球 69.9%）、SCS 专利 2373 项（占全球 79.5%），美敦力、波士顿科学为龙头；
• 中国
  ：近十年增速加快，DBS 国内申请（751 项）超美国来华申请（350 项），但 SCS 仍落后（国内 286 项 vs 美国来华 291 项），北京品驰、苏州景昱为主要企业。

（二）脊髓电刺激（SCS）：闭环感知成核心，ECAP 信号为关键

SCS 核心适应症为慢性疼痛（如腰背痛），已进入 “闭环感知调控” 阶段，诱发复合动作电位（ECAP）信号是技术突破点（通过神经纤维电位变化判断电极 - 神经距离，优化刺激参数）：

1. 龙头企业技术路线
   ：

• 美敦力
  ：双路径布局 —— 基于姿态信号（AdaptiveStim™系统，2021 年 FDA 批准，通过姿态 - 治疗参数关联实现闭环）、基于 ECAP 信号（Inceptiv™系统，2024 年 FDA 批准，专利覆盖 ECAP 感测、刺激波形调整 US20230414946A1）；
• 波士顿科学
  ：聚焦疼痛评分，通过多信号（心音、情绪）生成评分优化治疗，同时布局 ECAP 信号感测（CN113613709A）；
• 萨鲁达（Saluda）
  ：专注 ECAP 信号，2012 年基础专利（AU2012255671B2）构筑壁垒，Evoke 系统（2019 年 CE、2022 年 FDA 批准）为全球首款 ECAP 调控 SCS 产品，专利覆盖闭环策略、伪影消除。

（三）脑深部刺激（DBS）：精准化与智能化，多技术路线并行

DBS 核心适应症为运动障碍（帕金森病）、癫痫等，龙头企业通过差异化技术实现精准调控：

1. 美敦力
   ：BrainSense 技术引领闭环，基于局部场电位（LFP）信号（反映神经网络活动），Percept PC 系统（2019 年 FDA 批准）实现 “刺激 + 信号感知” 一体化，专利覆盖疾病状态识别（LFP 振荡活动 US8190251B2）、电极配置（对称设置 US20120053659A1）、系统控制（参数调节维持治疗窗口 US10095837B2），近年拓展 ECAP、ERNA（诱发共振神经活动，尚处研究早期）信号应用；
2. 波士顿科学
   ：方向性电极突破精度，Cartesia 电极（2016 年 FDA 批准）通过分段设计调整刺激方向，避免语言 / 视觉障碍，专利覆盖电极制造（分段工艺 US8887387B2）、定位（X 射线荧光胶囊 US20120053659A1）、系统控制（自动选择电极组合 US11357986B2），2023 年配套软件 Vercise Neural Navigator 获批；
3. Neuropace
   ：RNS 技术专注癫痫预测，反应性神经刺激系统（2013 年 FDA 批准）实时监测脑电、触发刺激终止异常活动，专利早期聚焦算法参数定制（US6473639B1），2020 年后引入 AI（机器学习识别癫痫类型 US11612750B2），提升预测精度。

（四）AI 赋能神经调控：疾病预测成新方向

AI 技术逐步应用于神经调控疾病预测（癫痫、疼痛、运动障碍），但全球专利仅十余件，技术分散：

• 国外
  ：美敦力（支持向量机多适应症预测 US20100280579A1）、Neuropace（CRE 模型优化癫痫预测 US20220313159A1）为主，适应症覆盖广；
• 国内
  ：北京航空航天大学（注意力机制癫痫预测 CN113786204B）、景昱医疗（深度学习脑电状态识别 CN113244533A）为代表，聚焦单一适应症，科研成果转化潜力大。

五、总结与未来展望

（一）核心结论

1. 技术格局
   ：全球脑机接口专利呈 “中美双核心”，美国技术辐射力强（同族专利多），中国在非侵入式采集、脑控外设等领域实现赶超，但有创调控（DBS、SCS）、核心器件（柔性电极、ECAP 信号处理）仍依赖国外技术；
2. 重点领域
   ：信号采集以脑电为核心，侵入式因高分辨率成热点；神经调控以有创为主导，DBS 向闭环感知（LFP/ECAP）、SCS 向 ECAP 调控演进；
3. 国内短板
   ：国际专利布局不足（同族专利少）、核心技术（如 ECAP 信号处理）面临壁垒、龙头企业匮乏，中小微企业与高校为创新主力。

（二）未来建议

1. 技术突破
   ：聚焦侵入式柔性电极、ECAP 信号处理、AI 疾病预测等短板领域，构建 “产学研医” 联合体，加速科研成果转化（如国内 AI + 脑信号研究成果）；
2. 专利布局
   ：加强国际专利布局（提升同族专利数量），围绕关键技术（如血管内电极、ERNA 信号）构建专利壁垒，规避国外风险；
3. 产业协同
   ：依托国内人工智能、无线通信产业优势，推动脑机接口与消费电子（VR/AR）、医疗设备（康复机器人）融合，拓展应用场景。

核心图示关联