国产非侵入“入耳式”脑机接口来了

来源：Medtech Dive 医潜

7 月 14 日，来自清华大学柔性电子技术实验室冯雪教授课题组与清华大学医学院高小榕教授团队合作，在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上发表了题为“用于视觉和听觉脑机接口的入耳式共形生物电子器件”（Conformal in-ear bioelectronics for visual and auditory brain-computer interfaces）的研究成果。

该研究提出了一种新型脑机接口（BCI）——SpiralE，该新型脑机接口相比现有的 BCI接口，侵入性更低。

脑机接口 BCI

“脑机接口”的概念最早是在1973年提出的，出自加州大学洛杉矶分校一位教授发表了一篇名为《论直接的脑机交流》的论文。该论文正式提出了“脑机接口”的概念和定义，由此“脑机接口”正式成为一个独立的研究领域。

近十年以来，由于人工智能技术的快速发展，脑机接口也进入到一个技术爆发的新阶段。发展至今，脑机接口可以分为 侵入式和非侵入式 两大类：

侵入式是把传感器的电极直接植入大脑里面，   用回路来替换大脑的部分神经元，需要开颅手术完成植入。   这种方法能够   实现更高分辨率、更深层的检测，   但开颅手术不仅复杂而且存在感染、损伤大脑等风险。目前   马斯克旗下的Neuralink使用的即是该方案。

非侵入式一般指的是   脑电图（EGG），将电极贴在头皮上检测大脑信号，   这种方法是   无创的，但检测分辨率低，   且只能记录大脑表面的信号。

侵入式存在物理伤害， 业界一般认为非侵入式长远来看是脑机接口技术普及应用的主要技术方向， 比如Meta等其他企业出于安全考虑更多地采用了非侵入式，试图通过头盔、腕表等穿戴式设备来实现脑机对接。 而清华大学团队此次研发的技术方案也正是 契合了非侵入式的脑机接口技术发展方向。

清华大学 SpiralE

SpiralE采用“入耳式”设计，其的接触面积较小(50 mm×3 mm)，因此可以在稳定地记录脑电图的同时，减少与耳道内壁的摩擦。而使用者只需要将传感器插入耳道，即可读取相应脑电波信息，侵入性远远低于同行的“颅骨贴片”设备。

研究团队基于柔性电子器件可与神经界面共形集成的特点，制造了SpiralE的原型设备，该设备以小螺旋的构型深入外耳道，在电热驱动下膨胀并变形为预设大螺旋构型，受到耳道内壁的约束后自适应地贴合于耳道内表面。

根据论文显示，SpiralE的主要组件包括由电热驱动层（EAL）和EEG检测层（EEGDL）嵌入的双层形状记忆聚合物（SMP）。3D螺旋状态的外层由导电金线和绝缘聚酰亚胺（PI）组成。

SpiralE 运行原理

研究团队通过记录alpha节律作为SpiralE评估的基准，α节律是频率范围为8-13 Hz的内源性振荡，主要存在于放松闭眼状态下的枕叶和顶叶，并与各种感知效应有关.如图中的蓝线所示。3a，b，部分时间波形和受试者平均频谱分析证实了静息状态脑电图（rsEEG）中的强振荡α功率。rsEEG的时间和光谱维度表明，SpiralE可以捕获以~10 Hz为中心的清晰α振荡。

制定解码标准

在捕获α振荡后，研究团队所要考虑的是如何对该数据进行解码。基于这种全新的耳道 BCI 设计，研究团队提出了由SSVEP-BCI（解码显性视觉注意）和听觉BCI（解码隐性听觉注意）组成的耳内脑机接口范式。前者解码显性视觉注意力，后者解码自然语音场景中的隐性听觉注意力。

获取原始 EEG 后，研究团队使用三种具有不同目标的解码算法。采用两种基于系数的空间滤波技术进行视觉解码。通过在刺激信号和EEG响应之间建立线性回归模型来解码：

研究结果

研究人员基于该器件分别开展了基于稳态视觉诱发电位的视觉BCI和基于鸡尾酒会效应的听觉BCI研究。

实验结果表明，在不影响受试者听力的情况下，该设备可以稳定记录脑电图，同时由于在变形进入和取出过程中接触面积较小，模量较低，减少了与耳道内壁的摩擦。

在脑电图记录准确性实验方面，在无标定的40个目标稳态视觉诱发电位(SSVEP)在线拼写实验中，参与者在9个目标的稳态视觉诱发电位(SSVEP) BCI分类和目标短语的离线正确率达到95%，信息传输速率(ITR)达到36.86±15.53比特/分钟，证明了基于SpiralE构建高效脑机接口的潜力。

耳内SSVEP表现出显著的二次谐波趋势，这表明在SSVEP研究中，耳内传感可能是研究谐波空间分布的补充。在鸡尾酒会实验中，自然语音听觉分类准确率可达84%。

综合以上数据，研究团队认为SpiralE可以为实现自然场景的听觉脑机接口提供可靠的听觉注意解码，具备构建高效脑机接口的潜力。且由于SpiralE易于使用，它可以为脑机接口的新应用打开了大门。他们设想开发一种应用程序，将完整的想法转化为文本，控制现实和虚拟世界中的特定对象，甚至可能用于增强记忆。

随着清华大学非侵入“入耳式”脑机接口的发布，我们认为医疗科技新时代或将开启。这一突破不仅凸显了中国在脑机接口领域的研究实力，还有可能引发全球医疗器械市场的重大变革。与传统的“颅骨贴片”设备相比，这一非侵入性技术为使用者带来更为舒适和便捷的体验，同时降低了潜在风险。

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