摘要：近年来脑机接口领域技术创新相对活跃，产业投融资事件火爆，政府制定政策积极引导，产业高质量发展进入快车道。非侵入式脑机接口以其无创安全性高、生物相容性高、使用便捷易操作、系统成本低等显著技术优势，逐渐成为产业内主要的研发方向。围绕非侵入式脑机接口关键技术，开展全球专利检索和数据加工，通过专利申请趋势分析、专利生命周期分析、专利技术构成分析、主要创新主体分析、高校专利运营分析等多维度，全面而深入地梳理了非侵入式脑机接口技术发展态势，以期为领域内创新主体的技术研发方向优化、关键核心技术借鉴、高质量专利布局、高校存量专利转化应用提供对策参考。
关键词：专利，非侵入，脑机接口
一、引言
多学科交叉融合，关键技术有待攻克。脑机接口技术在人体大脑和外部设备之间建设脑电通信和信号控制通道[1]，通过脑电信号采集、信号滤波、盲源分离、时频域分析等关键技术，直接操纵外部设备或用外部刺激调控脑神经活动，从而修复、改善、增强大脑功能。基于脑机接口技术本身脑电采集、信号处理和信号利用的闭环控制属性，脑机接口涉及神经学、生物医学工程、计算机科学、电子工程、心理学、物理学、数学等多学科[2]。脑电信号高准确度采集、脑电信号噪声祛除、采集电极材料改进、高通量实时性脑机芯片、神经外科手术机器人、脑电采集设备等领域关键技术亟待攻克。
脑机发展潜力大，创新价值持续彰显。当前脑机接口市场主要聚焦于脑电采集分析设备中游市场，中风康复，肌萎缩侧索硬化症、脊髓损伤、癫痫监测和治疗，单兵作战能力提升，指挥控制策略优化等医疗、军事、娱乐、教育领域市场成熟后潜力更大[3]。Neuralink 2024年11月获得加拿大卫生部批准启动在该国的首次临床试验，用于评估植入物和手术机器人的安全性；Synchron非侵入式脑机接口2024年10月已成功实现控制苹果Vision Pro，并且在临床试验中连续一年未出现严重不良反应；天津大学的“神工-神行”脑机接口神经肌骨耦合驱动下肢外骨骼康复训练系统成功入选“2024年度智能体育典型案例”。
政府政策出台多，产业引导效应凸显。近些年国家为鼓励创新主体参与脑机接口产业发展，国务院、工业和信息化部、国家能源局、国家标准化管理委员会、科技部、国家卫生健康委员会、国家体育总局等部门制定众多产业利好发展政策，积极引导脑机接口产业快速高质量发展。2024年，北京市率先发布《加快北京市脑机接口产业发展行动方案（2024—2030）（征求意见稿）》，提出了脑机接口产业发展的基本原则、发展目标、重点任务和保障措施。同年，工业和信息化部发布《脑机接口标准化技术委员会筹建方案》，明确脑机接口研制优先次序并统筹推进脑机接口标准制定。
专利信息价值高，分析意识亟待提升。世界上每年发明创造成果的90%～95%可以在专利文献中查到，而且约80%的发明成果仅通过专利文献公开，并不见诸于其他科技文献[4]。专利信息集技术、法律、经济、战略信息于一体，充分利用专利信息可以缩短60%的科研周期，节约40%的科研经费[5]。充分有效地利用专利信息，可以及时跟踪科技发展趋势，优化技术研发路线，避免重复研发，提高研发创新起点。
二、宏观态势分析
非侵入式脑机接口具有无创安全性高、生物相容性高、使用便捷易操作、系统成本低等显著技术优势，文章围绕脑电信号采集、脑电范式、脑电信号处理和神经调控等非侵入式脑机接口关键技术，开展全球专利检索。采用智慧芽专利数据库，通过技术关键词（“脑机接口”OR“脑机交互”OR“BrainMachineInterface*”OR“Brain computer Interface*”OR“神经-机器接口”OR“大脑-计算机接口”OR“非侵入”OR“非介入”OR“non-invasive”OR“noninvasive”OR“non-intervent*”OR“nonintervent*”OR“无损”OR“无创”OR“Non-destruct*”OR“采集”OR“采样”OR“collect*”OR“acquisition”OR“检测”OR“detect*”OR“监测”OR“monitor*”OR“电极”OR“electrode”OR“运动想象”OR“motor imagery”OR“P300”OR“稳态视觉诱发电位”OR“SSVEP”OR“Steady State Visual Evoked Potentials”）、IPC分类号（“A61B5”OR“G06F”OR“G06K”OR“G06N”OR“A61B5/0478”OR“A61N1/04”）构建专利检索式。
（一）领域专利数量增速迅猛，脑机产业化应用可期
截至2024年10月，通过智慧芽专利数据库共检索到非侵入式脑机接口相关专利24127件（15930项）。非侵入式脑机接口近二十年专利申请、公开趋势如图1所示，可以看出该产业领域专利数量整体呈现快速增长态势，2021年专利申请数量首次突破2000件，2023年专利公开数量超过3000件。基于中国发明专利在申请后3～18个月公开、实用新型专利和外观设计专利在申请后6个月公开等专利公开滞后因素，2023年和2024年不属于专利申请、公开趋势分析范畴。
（二）更多创新主体涌入，产业发展进入快车道
为进一步分析非侵入式脑机接口产业发展状况，梳理了不同年份的创新主体数量及其专利申请数量变化。图2为非侵入式脑机接口专利技术生命周期，可以看出，2010年之前该技术领域处于新兴技术导入期，2010年以来脑机接口技术领域进入技术成长期。近些年，基于脑机接口多学科交叉技术攻关难度高、应用领域广泛，迎来空前发展机遇，以及国务院、工业和信息化部、科技部、国家卫生健康委员会等制定政策引导产业发展，越来越多创新主体加入脑机接口产业发展赛道，产业专利申请数量进入快速爆发期。
（三）聚焦脑电信号采集处理，神经调控应用亟待验证
为分析非侵入式脑机接口产业的热点技术发展方向，研究了非侵入式脑机接口专利技术分布，如图3所示。可以看出，脑电采集相关专利占比41%（14978件），脑机范式相关专利占比22%（8025件），信号处理相关专利占比28%（9948件），神经调控相关专利占比9%（3222件）。在非侵入式脑机接口领域，创新主体在脑电采集和信号处理这两个细分技术领域的专利布局数量较为集中。这一现象与EEG脑电信号本身存在的技术难点密切相关。EEG信号的信噪比较低，且空间分辨率较小，这使得信号采集过程面临诸多挑战。与此同时，为了应对这些挑战，创新主体在信号预处理方面投入了大量研发精力，涉及滤波、降采样、压缩、去伪迹等多种技术手段。此外，在信号处理环节，创新主体也广泛采用了时域和频域分析、机器学习以及深度学习等多样化的方法。
图4为非侵入式脑机接口关键技术近二十年专利申请态势，可以看出，脑电信号采集一直是非侵入式脑机接口领域的重要研究方向，相关的专利申请数量占比最多，这与用于EEG脑电采集的电极技术路线（干电极、半干电极（凝胶电极）、盐水电极）不无关系。信号处理关键技术分支则随着机器学习、神经网络等人工智能算法的更新迭代，近些年专利申请数量超过脑机范式，逐渐成为非侵入式脑机接口领域第二大热点研究方向，领域创新主体较为关注压缩感知、信号滤波、盲源分离、时频分析、模式分类等热点技术，进一步提升脑电信号编码解码准确率。而神经调控作为脑机接口的重要应用方向之一，相较于脑电信号采集与处理关键技术，其专利数量相对较少，这与脑机接口的技术成熟度和产业化应用有一定联系。
（四）脑电采集电极技术已然成熟，脑电信号处理技术日渐活跃
为进一步分析非侵入式脑机接口领域的专利技术活跃度，通过分析近十年非侵入式脑机接口技术专利申请态势，洞察非侵入式脑机接口热门前沿技术。图5为非侵入式脑机接口关键技术近十年专利申请态势，可以看出，随着干电极、半干电极（凝胶电极）、盐水电极等电极技术成熟度的提升，越来越多创新主体向脑电信号处理关键技术方向转移，2023年脑电信号处理相关专利数量与脑电信号采集相关专利数量基本持平，非侵入式脑机接口技术领域逐渐关注信号降噪滤波、贝叶斯分类器、深度神经网络等信号处理方法。
三、创新主体分析
（一）天津大学技术优势凸显，高等院校技术创新活跃
图6为非侵入式脑机接口创新主体专利申请数量排名。从创新主体种类来看，高校、科研院所在非侵入式脑机接口领域的技术创新相对活跃，如天津大学、杭州电子科技大学、加利福尼亚大学、高丽大学等众多知名高校，较活跃企业则包含来自荷兰的皇家飞利浦有限公司、丹麦的T&W Engineering、日本的松下电器、美国的波士顿科学、韩国的三星电子等。
天津大学以非侵入式脑机接口相关专利273件位居创新主体排名第一，主要研究方向包含脑电采集、脑机范式和脑电信号处理。其神经工程团队所研发的超大指令集高速率非侵入式脑机接口系统，基于时-频-相混合多址编码范式，首次融合运动诱发电位、P300电位和稳态视觉诱发电位三种脑电特征，可实现216键的高速拼写操作，在线平均信息传输速率保持在300 bits/min以上，单指令平均输出时间为1.2s。系统还集成汉语、英语拼写常用音节信息，支持中英文输入法一键切换，满足多场景、更灵活的操作需要。
杭州电子科技大学以215件相关专利紧随天津大学位居创新主体排名第二。由杭州电子科技大学计算机学院支撑的“脑机协同智能技术”国际联合研究中心的核心技术专家包含计算机学院戴国骏教授团队和孔万增教授团队，主要研究方向围绕“脑、机、智”三个方面，开展脑认知功能、脑机接口、智能信息系统、人机闭环等方向的国际联合研究。
加利福尼亚大学以199件相关专利位居创新主体排名第三。加利福尼亚大学在非侵入式脑机领域的研究方向包含脑电EEG采集用电极（US10311598B2）、脑电EEG感知（US20210022641A1、US20200367761A1、EP3035844B1）、光生物调节（WO2023288094A1）、电流刺激（US10159839B2）、中风治疗（WO2024035887A1、US11259942B2）等众多领域。
T&W Engineering是丹麦一家从事Ear EEG入耳脑机接口研究与生产的科技型公司，其研究范畴包含脑电信号监测、脑电信号采集电极、脑电助听应用等。
高丽大学公开了基于皮肤触摸的脑机接口技术，其通过BrainAmp放大器记录触摸手势信号，分析触摸和运动相关脑信号的事件相关电位（ERP）分类差异，且进一步进行了功率谱密度（PSD）分析，探讨了触摸位置各通道的频谱功率差异。同时，在脑电信号解码方法，如公共空间模式（CSP）-线性判别分析（LDA）算法、基于卷积神经网络（CNN）的EEGNet算法均有相关的专利布局。
（二）天津大学研发持续活跃，美国、韩国高校创新跟进
图7展示了非侵入式脑机接口技术领域主要创新主体专利申请态势。可见，天津大学在非侵入式脑机接口领域专利申请布局持续性较强，并呈现逐年递增、快速增长的态势；杭州电子科技大学、加利福尼亚大学、西安交通大学、华南理工大学、清华大学、高丽大学等高等院校在脑机接口领域的技术创新活跃度较高。
四、高等院校专利运营分析
高等院校是国家战略科技力量和创新体系的重要组成部分，既是科技创新的主力军、专利研发的引领者，也是专利转化运用的主要供给侧，其在基础理论研究和学科交叉融合领域具有显著技术优势，可通过科学的顶层设计与资源配置，推动各类创新要素的深度融合，使高等院校更好发挥知识创新和技术创新的策源地作用。
（一）国内高校专利规模庞大，存量专利亟待运营盘活
当前国内高等院校在脑机接口技术领域的存量专利亟待运营盘活，普遍存在专利产业化率低、支持实体经济发展潜力未释放的专利运营困境。图8展示了国内重点高校专利运营情况。从重点高校脑机接口专利排名来看，天津大学（261件）、杭州电子科技大学（211件）、华南理工大学（143件）、西安交通大学（128件）、浙江大学（123件）为国内高校TOP5，但专利运营比例均未超过20%，其中专利权转让是专利运营的主要方式；从专利运营占比来看，中国医学科学院生物医学工程研究所（医工所）（17.54%）、北京工业大学（17.44%）、华南理工大学（16.08%）和重庆邮电大学（15.63%）的专利产业化率相对较高；从专利运营类型来看，华南理工大学（23件）、天津大学（21件）、杭州电子科技大学（18件）专利转让数量相对较多，北京工业大学（13件）和杭州电子科技大学（11件）则在专利许可方面具有一定的经验积累，如杭州电子科技大学将专利“一种基于低秩和稀疏矩阵分解的脑电信号处理方法”（CN105266804B）和“一种基于脑机接口的实时主动式系统控制方法”（CN103268149B）许可给杭州正大医疗器械有限公司，进而推动了高校的科技成果转化进程。
（二）高校聚焦脑电采集处理，神经调控应用专利空白
从国内重点高校在脑机接口技术领域的已运营专利技术分布（图9）来看，华南理工大学、天津大学和杭州电子科技大学在脑机接口的脑电采集、脑电范式、信号处理细分技术领域具有相对较强的专利技术优势积累。华南理工大学积极推动脑机接口技术的产业化落地，李远清教授团队通过科技成果转化创立了华南脑控（广东）智能科技有限公司，其在脑机智能多模态源技术及核心算法领域具有显著专利技术优势，产品覆盖医疗、助残、心理健康等领域。天津大学依托在脑机接口领域的科研优势，前后孵化了中电云脑、燧世智能科技、瑙玑科技等高新技术企业；产品研发方面，其新型软梳电极作为传统湿电极的有效替代，可显著提升脑电采集的便捷性和舒适性；脑机接口编解码专用芯片“脑语者”支持多通道神经信息处理交互，能够高效解码用户操作指令。在神经调控方面，脑机接口技术通过刺激特定神经区域，帮助改善功能障碍或缓解症状，在脊髓损伤患者康复、阿尔茨海默病管理、帕金森病治疗等方面显示出巨大潜力，建议领域创新主体围绕神经调控专利技术空白，布局高价值专利，以抢占市场份额。
五、结语
基于非侵入式脑机接口在医疗、娱乐、军事、教育等领域的巨大潜力，越来越多的创新主体涌进该战略性新兴产业领域，产业专利申请数量进入快速爆发期，领域专利数量整体将呈现快速增长态势，创新主体主要聚焦脑电采集、脑电范式、脑电信号处理等行业关键技术研发，天津大学和杭州电子科技大学在非侵入式脑机接口技术领域具有相当强的专利技术积累。目前国内高校在非侵入式脑机接口领域技术创新活动相对活跃，并且已通过专利转让、专利许可和专利质押方式实现专利技术产业化，但专利产业化率整体偏低，产业化加速推进潜力亟待释放。基于非侵入式脑机接口技术领域的产业化成熟度和技术发展阶段，高校在脑机接口领域的基础理论研究具有显著技术优势，亟待通过产、学、研、转、创、用平台实现资源优化配置，进一步加快脑机接口产业化；建议以需求和问题为导向，构建高校科技成果转化网络体系，以平台为支撑、以服务为核心、以政策为保障，推进高等教育综合改革，有机融合政府政策要素、高校知识要素、企业创新要素、资本资金要素，赋能高校科技成果转化。
参考文献：
[1]蒋咏春，尹浚骁，赵碧仪，等.运动想象脑机接口技术在脑卒中后运动功能康复中的应用[J].康复学报，2023，33（6）：562-570.
[2]周光省.基于多种运动想象组合的脑电控制电动轮椅方法研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2014.
[3]曹巧玲.“模拟阅读”脑-机接口的优化[D].武汉：中南民族大学，2014.
[4]王朝晖.专利文献的特点及其利用[J].现代情报，2008，28（9）：151-152，156.
[5]王同胜，伍险峰，张宝珠，等.国外专利文献情报研究[C]//中国核科学技术进展报告（第三卷）——中国核学会2013年学术年会论文集第10册（核情报分卷，核技术经济与管理现代化分卷）.北京：中国原子能出版社，2013：167-171.
作者简介：王荣栋，中国船舶集团有限公司综合技术经济研究院知识产权与成果管理研究中心，知识产权管理与评价研究员，工程师，研究方向为专利信息分析与知识产权政策。
