隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)、人工智能等多學(xué)科的深度融合，腦機(jī)接口的信號采集精度和穩(wěn)定性將得到進(jìn)一步提升。新型電極材料和設(shè)計(jì)將不斷涌現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對大腦信號更精準(zhǔn)、更穩(wěn)定的采集。信號處理和分析算法將更加智能化和高效化，能夠更準(zhǔn)確地解讀大腦意圖，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)控制。

一、信號采集技術(shù)?

1、電極材料與設(shè)計(jì)?

根據(jù)北京研精畢智信息咨詢調(diào)研，電極材料和設(shè)計(jì)是腦機(jī)接口信號采集的關(guān)鍵要素，對信號質(zhì)量和系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響。在電極材料方面，不同材料展現(xiàn)出各異的特性。傳統(tǒng)的金屬電極，如銀 / 氯化銀電極，具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，在腦電圖（EEG）檢測中應(yīng)用廣泛，能夠較為準(zhǔn)確地采集大腦表面的電信號，為腦機(jī)接口系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持。然而，金屬電極在長期使用過程中可能會引發(fā)皮膚過敏等不良反應(yīng)，限制了其在一些對佩戴舒適性和長期穩(wěn)定性要求較高場景中的應(yīng)用。?

近年來，柔性電極憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注。這類電極通常采用柔性材料，如聚酰亞胺、絲綢、水凝膠等作為基底，然后在其上集成導(dǎo)電材料來實(shí)現(xiàn)信號采集功能。以聚酰亞胺為基底的柔性電極，具有良好的柔韌性和生物相容性，能夠與皮膚緊密貼合，有效減少因運(yùn)動等因素導(dǎo)致的信號干擾，為用戶提供更加穩(wěn)定和舒適的佩戴體驗(yàn)?；诮z綢材料的柔性電極則具有出色的生物可降解性，這在一些短期植入或?qū)ι锛嫒菪砸髽O高的應(yīng)用場景中具有顯著優(yōu)勢，可以降低對人體的潛在風(fēng)險。水凝膠電極由于其富含水分的特性，能夠提供良好的導(dǎo)電性和皮膚貼合性，進(jìn)一步提升了信號采集的質(zhì)量，在可穿戴腦機(jī)接口設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。?

在電極設(shè)計(jì)方面，合理的結(jié)構(gòu)和布局能夠顯著提高信號采集的效率和準(zhǔn)確性。電極的形狀、尺寸和排列方式都會對信號采集產(chǎn)生影響。例如，針狀電極可以穿透皮膚角質(zhì)層，更接近神經(jīng)元，從而獲取更高質(zhì)量的信號，在對信號精度要求較高的科研和臨床診斷中具有重要應(yīng)用價值。但針狀電極的使用也存在一定的局限性，如可能會給用戶帶來不適和感染風(fēng)險等。微電極陣列則通過將多個微小的電極集成在一個芯片上，能夠同時采集多個腦區(qū)的信號，為大腦活動的多維度分析提供了可能，有助于科研人員更全面地了解大腦的功能和機(jī)制。一些新型的電極設(shè)計(jì)還考慮了與大腦的生理結(jié)構(gòu)相匹配，以提高信號采集的針對性和有效性。例如，根據(jù)大腦皮層的溝回結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電極，能夠更好地貼合大腦表面，增強(qiáng)信號采集的效果，為深入研究大腦功能和開發(fā)更高效的腦機(jī)接口應(yīng)用提供了有力支持。不同電極材料與設(shè)計(jì)特點(diǎn)對比如下：?

2、信號采集設(shè)備的發(fā)展?

腦機(jī)接口信號采集設(shè)備經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從實(shí)驗(yàn)室專用到便攜可穿戴的發(fā)展歷程，其性能不斷提升，為腦機(jī)接口技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。早期的信號采集設(shè)備主要基于傳統(tǒng)的腦電圖機(jī)，這些設(shè)備體積龐大、操作復(fù)雜，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作和維護(hù)。它們能夠采集大腦的電信號，但在信號的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和便攜性方面存在較大的局限性，主要應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)和醫(yī)院的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，用于基礎(chǔ)的神經(jīng)科學(xué)研究和臨床診斷。?

隨著科技的不斷進(jìn)步，信號采集設(shè)備逐漸向小型化、集成化方向發(fā)展。新型的采集設(shè)備采用了先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)和納米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的微型化和高性能化。這些設(shè)備不僅體積小巧，便于攜帶，而且在信號采集的精度、分辨率和抗干擾能力等方面都有了顯著提升。一些便攜式的腦電圖采集設(shè)備，重量僅為幾百克，能夠方便地佩戴在頭上，實(shí)時采集大腦信號，并通過藍(lán)牙等無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)或電腦等終端設(shè)備上進(jìn)行分析和處理，使得腦機(jī)接口技術(shù)能夠走出實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于更廣泛的場景，如家庭健康監(jiān)測、運(yùn)動訓(xùn)練等。?

近年來，可穿戴式信號采集設(shè)備成為了研究的熱點(diǎn)。這類設(shè)備以其高度的便攜性和舒適性，能夠?qū)崿F(xiàn)對大腦信號的長時間、不間斷監(jiān)測，為腦機(jī)接口在日常生活中的應(yīng)用提供了可能。例如，智能頭帶、智能頭盔等可穿戴設(shè)備，通過集成多個電極和傳感器，能夠?qū)崟r采集大腦的電信號、心率、體溫等生理數(shù)據(jù)，并結(jié)合人工智能算法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對用戶的情緒狀態(tài)、認(rèn)知能力、疲勞程度等的監(jiān)測和評估。在智能健康領(lǐng)域，可穿戴式信號采集設(shè)備可以為用戶提供個性化的健康管理方案，幫助用戶及時發(fā)現(xiàn)潛在的健康問題；在教育領(lǐng)域，能夠監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，為教師調(diào)整教學(xué)策略提供依據(jù)。腦機(jī)接口信號采集設(shè)備發(fā)展歷程及性能提升示意圖如下：?

橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示設(shè)備性能（包括便攜性、信號精度、穩(wěn)定性等綜合指標(biāo)）。從圖中可以清晰地看出，隨著時間的推移，信號采集設(shè)備的性能不斷提升，從早期體積龐大、性能有限的傳統(tǒng)設(shè)備，逐漸發(fā)展為小型化、高性能的便攜式和可穿戴設(shè)備。?

二、信號處理與分析技術(shù)?

1、信號預(yù)處理方法?

據(jù)研精畢智信息咨詢發(fā)布的分析報(bào)告顯示，腦機(jī)接口系統(tǒng)采集到的原始腦電信號往往包含大量的噪聲和干擾，如來自環(huán)境的電磁干擾、人體自身的生理噪聲（如心電、肌電干擾）以及設(shè)備本身的電子噪聲等，這些噪聲會嚴(yán)重影響信號的質(zhì)量和后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。因此，信號預(yù)處理是腦機(jī)接口信號處理流程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其目的在于去除噪聲、增強(qiáng)信號，為后續(xù)的神經(jīng)解碼和應(yīng)用提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。?

濾波是信號預(yù)處理中最常用的方法之一。通過選擇合適的濾波器，可以有效地濾除信號中的噪聲和干擾成分。常見的濾波器包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等。低通濾波器主要用于去除高頻噪聲，如環(huán)境中的電磁干擾和電子設(shè)備產(chǎn)生的高頻噪聲等，使信號中的低頻成分得以保留，這些低頻成分往往包含了大腦活動的重要信息。高通濾波器則相反，它主要用于去除低頻噪聲，如心電信號和基線漂移等，保留信號中的高頻成分，對于研究大腦的快速電活動變化具有重要作用。帶通濾波器可以允許特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止其他頻率的信號，常用于提取大腦特定頻段的電活動信號，如 α 波（8 - 13Hz）、β 波（13 - 30Hz）、γ 波（30 - 100Hz）等，這些不同頻段的腦電波與大腦的不同功能狀態(tài)密切相關(guān)。帶阻濾波器則用于去除特定頻率的噪聲，如 50Hz 或 60Hz 的工頻干擾，這些干擾在電力供應(yīng)環(huán)境中普遍存在，會對腦電信號產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，通過帶阻濾波器可以有效地消除這些干擾，提高信號的純度。?

除了濾波，去噪也是信號預(yù)處理的重要手段。常用的去噪方法有均值濾波、中值濾波、小波去噪等。均值濾波是通過計(jì)算信號在一定窗口內(nèi)的平均值來平滑信號，去除噪聲的高頻分量，但這種方法可能會導(dǎo)致信號的細(xì)節(jié)信息丟失。中值濾波則是用信號窗口內(nèi)的中值來代替窗口中心的值，對于去除脈沖噪聲等具有較好的效果，能夠在保留信號細(xì)節(jié)的同時有效地抑制噪聲。小波去噪是基于小波變換的原理，將信號分解為不同頻率的子信號，然后根據(jù)噪聲和信號在小波域的不同特性，對小波系數(shù)進(jìn)行處理，去除噪聲對應(yīng)的系數(shù)，再通過小波逆變換重構(gòu)信號，這種方法能夠在去除噪聲的同時較好地保留信號的特征，在腦電信號處理中得到了廣泛的應(yīng)用。不同信號預(yù)處理方法特點(diǎn)及適用場景如下：?

2、神經(jīng)解碼算法?

神經(jīng)解碼算法是腦機(jī)接口技術(shù)的核心，其主要任務(wù)是將經(jīng)過預(yù)處理的腦電信號轉(zhuǎn)化為能夠被外部設(shè)備識別和執(zhí)行的控制指令，實(shí)現(xiàn)大腦意圖的準(zhǔn)確解讀和外部設(shè)備的有效控制。神經(jīng)解碼算法的準(zhǔn)確性和效率直接決定了腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能和應(yīng)用效果。?

早期的神經(jīng)解碼算法主要基于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，如支持向量機(jī)（SVM）、線性判別分析（LDA）等。這些算法通過對大量的腦電信號樣本進(jìn)行訓(xùn)練，建立起信號特征與大腦意圖之間的映射關(guān)系。以支持向量機(jī)為例，它通過尋找一個最優(yōu)的分類超平面，將不同類別的腦電信號樣本分開，從而實(shí)現(xiàn)對未知信號的分類和識別。線性判別分析則是通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，將高維的腦電信號投影到低維空間中，使得不同類別的信號在投影空間中具有最大的類間距離和最小的類內(nèi)距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號的分類和識別。這些傳統(tǒng)算法在簡單的腦機(jī)接口任務(wù)中取得了一定的成果，如基于運(yùn)動想象的簡單肢體動作識別，能夠幫助癱瘓患者實(shí)現(xiàn)一些基本的運(yùn)動控制功能。?

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，深度學(xué)習(xí)算法在神經(jīng)解碼領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。深度學(xué)習(xí)算法具有強(qiáng)大的特征學(xué)習(xí)能力，能夠自動從海量的腦電信號數(shù)據(jù)中提取出復(fù)雜的特征，無需人工手動設(shè)計(jì)特征提取方法，大大提高了神經(jīng)解碼的準(zhǔn)確性和效率。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是深度學(xué)習(xí)中常用的一種模型，它通過卷積層、池化層和全連接層等結(jié)構(gòu)，對腦電信號進(jìn)行逐層特征提取和分類。在處理腦電信號時，CNN 能夠有效地捕捉信號的時空特征，對于識別不同類型的大腦活動具有顯著的優(yōu)勢。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）及其變體長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）和門控循環(huán)單元（GRU）等，由于其能夠處理時間序列數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在腦電信號的動態(tài)變化分析和實(shí)時解碼中表現(xiàn)出色。這些算法能夠?qū)W習(xí)到大腦信號在時間維度上的依賴關(guān)系，對于預(yù)測大腦的未來狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的實(shí)時控制具有重要意義。例如，在基于腦機(jī)接口的智能假肢控制中，深度學(xué)習(xí)算法可以根據(jù)實(shí)時采集的腦電信號，快速準(zhǔn)確地預(yù)測用戶的運(yùn)動意圖，從而實(shí)現(xiàn)假肢的自然、流暢運(yùn)動，極大地提高了癱瘓患者的生活自理能力。不同神經(jīng)解碼算法特點(diǎn)及性能對比見下表：?

三、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)?

1、信號精度與穩(wěn)定性?

盡管腦機(jī)接口技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，但信號精度與穩(wěn)定性仍然是當(dāng)前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。腦電信號極其微弱，其幅值通常在微伏級，很容易受到各種因素的干擾。環(huán)境中的電磁干擾，如電子設(shè)備、通信信號等，會在腦電信號中引入噪聲，使信號變得模糊和不穩(wěn)定，影響對大腦活動的準(zhǔn)確解讀。人體自身的生理噪聲，如心電信號、肌電信號以及呼吸等生理活動產(chǎn)生的干擾，也會與腦電信號相互疊加，進(jìn)一步降低信號的質(zhì)量，增加了從混合信號中提取有效腦電信息的難度。?

信號的精度和穩(wěn)定性還受到信號采集設(shè)備和電極性能的影響。不同類型的電極在信號采集過程中會表現(xiàn)出不同的特性，如接觸阻抗、信號衰減等，這些因素都會影響信號的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。非侵入式電極由于需要穿過頭皮和顱骨才能采集到大腦信號，信號在傳輸過程中會受到較大的衰減和干擾，導(dǎo)致信號的空間分辨率較低，難以精確確定大腦活動的位置和強(qiáng)度。侵入式電極雖然能夠獲取更高質(zhì)量的信號，但長期植入可能會引起組織反應(yīng)，導(dǎo)致電極周圍的組織發(fā)生變化，影響信號的穩(wěn)定性和長期有效性。?

為了提高信號精度和穩(wěn)定性，研究人員正在探索多種解決方案。在信號采集方面，不斷改進(jìn)電極材料和設(shè)計(jì)，開發(fā)新型的電極結(jié)構(gòu)和制造工藝，以降低接觸阻抗、減少信號衰減和干擾。例如，采用納米材料制備電極，利用其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，提高電極與大腦組織的兼容性和信號采集效率 ；設(shè)計(jì)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的電極，能夠根據(jù)人體生理狀態(tài)和環(huán)境變化自動調(diào)整采集參數(shù)，優(yōu)化信號質(zhì)量。在信號處理方面，研究更先進(jìn)的濾波、去噪和特征提取算法，提高對噪聲和干擾的抑制能力，增強(qiáng)信號的可辨識度。例如，基于深度學(xué)習(xí)的信號處理算法，能夠自動學(xué)習(xí)信號的特征和模式，實(shí)現(xiàn)對噪聲和干擾的精準(zhǔn)去除，提高信號的精度和穩(wěn)定性。通過多模態(tài)信號融合的方式，將腦電信號與其他生理信號（如心電、眼電、肌電等）或環(huán)境信息相結(jié)合，利用不同信號之間的互補(bǔ)性，提高對大腦活動的理解和解讀能力，從而提升信號的整體質(zhì)量和可靠性。?

2、設(shè)備的生物兼容性?

腦機(jī)接口設(shè)備需要與人體組織長期接觸，因此設(shè)備的生物兼容性是確保其安全、有效應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。生物兼容性問題主要涉及設(shè)備與人體組織之間的相互作用，包括免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng)、組織損傷等。如果設(shè)備的生物兼容性不佳，可能會引發(fā)人體免疫系統(tǒng)的攻擊，導(dǎo)致炎癥、感染等不良反應(yīng)，不僅會影響設(shè)備的正常工作，還可能對人體健康造成嚴(yán)重危害。對于侵入式腦機(jī)接口設(shè)備，由于需要將電極直接植入大腦組織，生物兼容性問題尤為突出。植入的電極可能會被人體免疫系統(tǒng)識別為異物，引發(fā)免疫反應(yīng)，導(dǎo)致電極周圍的組織發(fā)生炎癥和纖維化。這種炎癥反應(yīng)會改變電極周圍的微環(huán)境，影響電極與神經(jīng)元之間的信號傳遞，導(dǎo)致信號質(zhì)量下降，甚至可能使電極失去功能。長期植入還可能導(dǎo)致組織損傷，如電極的移位、斷裂等，進(jìn)一步加重對大腦組織的損害。?

為了解決設(shè)備的生物兼容性問題，研究人員在材料選擇、表面修飾和設(shè)備設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了大量的研究。在材料選擇上，尋找具有良好生物兼容性的材料是關(guān)鍵。例如，一些生物可降解材料，如聚乳酸、聚乙醇酸等，在體內(nèi)能夠逐漸降解，減少對人體組織的長期刺激，有望用于制備可降解的腦機(jī)接口設(shè)備，降低長期植入的風(fēng)險。表面修飾技術(shù)也是改善生物兼容性的重要手段。通過對電極表面進(jìn)行修飾，如涂覆生物活性分子、納米涂層等，可以降低電極的免疫原性，減少炎癥反應(yīng)，促進(jìn)電極與周圍組織的整合，提高信號傳遞的穩(wěn)定性。在設(shè)備設(shè)計(jì)方面，優(yōu)化電極的形狀、尺寸和植入方式，以減少對組織的損傷。例如，采用柔性電極，能夠更好地貼合大腦組織的形狀，減少因組織運(yùn)動而產(chǎn)生的摩擦和損傷 ；開發(fā)微創(chuàng)植入技術(shù)，降低手術(shù)創(chuàng)傷，減少感染風(fēng)險，提高設(shè)備的安全性和可靠性。?

3、計(jì)算能力與能耗?

腦機(jī)接口系統(tǒng)需要處理大量的腦電信號數(shù)據(jù)，這對計(jì)算能力提出了很高的要求。腦電信號具有高維度、非平穩(wěn)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，需要進(jìn)行復(fù)雜的信號處理和分析算法，如濾波、特征提取、神經(jīng)解碼等，這些算法的計(jì)算量巨大，需要強(qiáng)大的計(jì)算能力支持。在實(shí)時應(yīng)用場景中，如腦控假肢、智能輪椅等，對信號處理的實(shí)時性要求極高，需要在短時間內(nèi)完成大量的計(jì)算任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的及時控制，這對計(jì)算硬件的性能提出了更為苛刻的挑戰(zhàn)。隨著腦機(jī)接口技術(shù)向可穿戴和便攜式方向發(fā)展，設(shè)備的能耗問題也日益凸顯?？纱┐髟O(shè)備通常依靠電池供電，而有限的電池容量限制了設(shè)備的續(xù)航能力。如果設(shè)備的能耗過高，將導(dǎo)致電池頻繁充電，給用戶帶來不便，同時也會增加設(shè)備的體積和重量，降低用戶的佩戴舒適性。

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