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脑机接口信号采集技术:医学与工程交叉视角综述

期刊:fundamental researchDOI:10.1016/j.fmre.2024.04.011

类型b:该文档是一篇综述论文,对脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)信号采集技术进行了系统性回顾与分类框架构建。以下为针对中文读者的学术报告:


作者及机构
本文由清华大学生物医学工程系的Yike Sun、Xiaorong Gao等团队,联合中国医学科学院生物医学工程研究所的Xiaogang Chen、中国科学院半导体研究所的Yijun Wang等跨机构团队合作完成,发表于期刊《Fundamental Research》2025年第5卷。

论文主题
论文题为《Signal Acquisition of Brain–Computer Interfaces: A Medical-Engineering Crossover Perspective Review》,从医学与工程交叉视角,对BCI信号采集技术进行了十年文献(2012–2022)的系统性梳理,提出了一种创新的“手术-检测”二维分类框架,并探讨了未来发展方向。


主要观点与论据

1. BCI信号采集技术的分类挑战与现有局限
传统BCI技术通常按侵入性(非侵入/侵入)分类,但新兴技术(如血管支架电极、组织电极)难以纳入传统框架。例如,He等(2020)提出按电极灵活性分类,Eric等(2021)提出基于传感器位置的分类,但均无法涵盖材料学和医学领域的最新进展。作者指出,现有分类缺乏跨学科兼容性,亟需更全面的框架以促进临床与工程协作。

2. 二维分类框架的构建与验证
作者提出以手术维度(非侵入、微创、侵入)和检测维度(非植入、介入、植入)构建3×3矩阵,形成9类技术全景图:
- 手术维度:依据解剖创伤程度定义。例如,微创技术需避免脑组织损伤(如颅骨钻孔),而侵入技术需直接接触脑组织(如皮层电极)。
- 检测维度:基于传感器操作位置。介入技术利用天然腔体(如血管),植入技术需穿透组织(如深部电极)。

通过分析Web of Science数据库6679篇文献,统计显示:85.87%研究采用非侵入非植入技术(如EEG),而微创介入技术(如Stentrode)仅占0.06%,验证了技术分布的不均衡性。

3. 代表性技术分析
- 非侵入非植入技术
- *电磁信号*:EEG(低成本但易受组织干扰)和MEG(高时间分辨率但需超导屏蔽)。
- *血流信号*:fNIRS(近红外光检测血氧)和fMRI(高空间分辨率但延迟高)。多模态融合(如EEG-fNIRS)可提升信号互补性。
- 微创植入技术
- *Stentrode*:通过血管导航将电极阵列植入静脉窦,可记录局部场电位(LFP),但存在血栓风险(Oxley等2016)。
- *皮层电描记术(ECoG)*:优于EEG的信号质量,但需开颅手术(临床主要用于癫痫定位)。

4. 潜在可行技术展望
- 非侵入植入技术:如组织穿透纳米机器人(Afari等2019),通过磁场引导穿透血脑屏障,但尚未实现信号验证。
- 微创植入技术:体内自组装电极(如Sha等2023的纳米片胶体),可减少手术创伤,但信号传输组件仍需传统植入。

5. 未来应用方向
- 消费电子领域:非侵入技术(如EEG耳机)适用于教育、游戏,但需解决毛发干扰问题。
- 复杂场景控制:微创技术(如临时颅骨电极)可平衡信号质量与安全性,适用于机械外骨骼控制。
- 医疗康复突破:侵入式技术(如Neuralink)在渐冻症患者运动解码中展现潜力,但需长期生物相容性验证。


论文价值与意义

  1. 理论创新:提出的二维框架首次整合了手术创伤与信号源距离的双重标准,为跨学科研究提供统一语言。
  2. 技术指导:通过技术分布统计,揭示研究空白(如微创介入技术),推动资源向高潜力领域倾斜。
  3. 应用前瞻:强调AI算法(如深度学习)在信号解码中的角色,呼吁临床与工程协同优化闭环系统设计。

亮点
- 多学科交叉:融合神经科学、材料学、临床医学视角,例如将介入心脏病学概念(如血管支架)引入BCI领域。
- 数据驱动:基于大规模文献分析验证分类合理性,增强结论可信度。
- 技术伦理讨论:指出侵入式技术的不可逆性风险,倡导权衡信号质量与伦理可接受性。


此综述为BCI领域研究者提供了技术选择的系统性参考,尤其对临床转化中的权衡决策(如信号保真度 vs. 手术风险)具有重要指导意义。

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