脑机接口技术发展状况分析——基于文献调研

刘久煜，张月琴，朴 雪

（徐州医科大学医学信息学院，江苏 徐州 221004）

脑机接口技术是一种将人脑与计算机或其他外界电子设备直接连接而不依靠正常的大脑信号（外周神经与肌肉组织）输出途径的通信系统，涉及神经科学、信号检测及处理、模式识别等多个学科。1973年美国计算机科学家Vidal[1]首次提出脑机接口这一概念，而在1999年和2002年召开的两次脑机接口国际会议更是为脑机接口技术未来的发展方向提供了参考[2]。目前，脑机接口技术已成为生物医学工程、计算机科学、通信技术等诸多领域关注的焦点。我国对该技术的研究始于21世纪初，相比于欧美等国家稍有滞后。本文通过检索2008—2018年近10年间万方数据库以及Web of Science收录的相关文献，从国内外文献量、期刊来源等角度对脑机接口技术的发展状况进行统计学分析，进而综合调研分析结果以总结该技术的重要科研意义及参考价值。

1 国内脑机接口技术文献的计量分析

1.1 数据来源与检索

数据来源于万方数据知识服务平台。在万方数据库中采用高级检索对脑机接口技术相关研究论文进行检索，检索时间跨度为2008—2018年，选取检索关键词“脑机接口”进行精确查找，返回检索结果1 210条。其中涉及学科最多的是工业技术，共705篇文献，其次为医药卫生学科，共425篇文献，涉及的其他学科领域还有生物科学、军事等。

1.2 结果与分析

国内研究者主要探讨了脑机接口技术研究面临的困难和挑战，并且进行了脑机接口技术研究介绍、各个技术实验方法对比等方面的系列综述，从而对研究和应用前景进行了展望[3]。

图1 2008—2018年国内脑机接口技术相关文献数量统计

从图1可以看出，2008—2015年国内脑机接口技术相关文献数量呈上升趋势，2012年开始年度文献量突破100篇，而2015年以后，相关文献发表量有所下降。

从图2可以看出，脑机接口技术相关文献涉及的领域多集中于工业技术与医药卫生。由此不难发现，脑机接口技术研究的重点是其原理的实现和应用，这与工业技术中的计算机科学技术以及自动化技术是密不可分的。而脑机接口技术在医药卫生方面的研究，则和脑电波存储与转换、脑信号识别与提取等息息相关[4]。

2 国外脑机接口技术文献的计量分析

图2 国内2008—2018年脑机接口技术相关文献研究方向统计

2.1 数据来源与检索

为从定量角度了解脑机接口技术研究现状，在Web of Science数据库中对脑机接口技术相关论文进行检索，检索年限设置为2008—2018，检索策略（主题）设置为brain machine interface或brain-machine interface或brain computer interface或brain-computer interface，返回检索结果5 476条。

2.2 结果与分析

图3 2008—2018年国外脑机接口技术相关文献数量统计

从图3可以看出，近10年全球脑机接口技术研究发表论文数量呈平稳增长趋势，由2008年的200多篇到2018年突破800篇，发展迅速，其中2010—2011年与2016—2017年文献增长量尤为明显。

对近10年来脑机接口技术不同研究方向进行统计，发现医学领域占比最大，其次为计算机科学人工智能，另外涉及康复学、心理学方向，各个研究方向有交叉（见图4）。神经系统与神经学领域主要应用于康复[5]，直接利用脑机接口帮助有严重运动障碍的人实现对外部设备的控制，从而使他们能够和外界进行交流[6]。

图4 2008—2018年国外各研究方向相关文献数量统计

3 国内外研究情况对比分析

3.1 国内外文献主要来源分析

通过分析国内外脑机接口技术研究文献的来源，更透彻地了解其发展历程及未来的研究方向，对研究者今后发表文献提供更明确的指引。

3.1.1 国内文献来源 在万方数据知识服务平台上以“脑机接口”为关键词，对刊名进行检索，时间跨度仍为2008—2018年，各主要期刊发文数量及占比统计情况见图5。

图5 国内脑机接口相关文献来源

3.1.2 国内引用量前10名的文献分析（见表1）在万方数据知识服务平台上以“脑机接口”为关键词，选取2008—2018年引用量排在前10名的文献，结果见表1。被引次数最多的是脑机接口的电信号处理相关文献，其次是脑机接口中脑电信号转换技术以及脑电信号识别技术相关文献。

3.1.3 国外文献来源 以Web of Science为数据来源，对2008—2018年脑机接口技术相关文献按出版物来源进行分类。其中，《神经工程学杂志》（JOURNAL OF NEURAL ENGINEERING）发表的关于脑机接口主题的文献最多，其次是《美国电气与电子工程师协会——神经系统与康复工程》（IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING），具体见图 6。

图6 国外脑机接口相关文献出版物来源分析

3.1.4 国外引用量前10名的文献分析 在Web of science数据库中，以brain machine interface OR brain-machine interface OR brain computer interface OR brain-computer interface为检索条件，检索2008—2018年引用量前10名的文献（见表2）。被引次数最多的是脑机接口技术在康复领域的应用相关文献，其次是脑机接口应用及技术优化相关文献。

3.2 结果分析

一个领域最新的发展及研究方向可以通过对该领域文献的研究进行了解。对比国内外学科文献期刊来源，能够看出：（1）脑机接口技术与计算机工程、医学相关工程领域联系最为密切。通过图5可以清晰看到该领域相关文献期刊来源比较分散，但主要集中于生物医学与计算机科学这两个方面。（2）脑机接口技术目前分为侵入式与无创式系统两大研究方向。2006年，世界技术评估中心（WTEC）专家评估全球重要脑机接口研究机构发现，侵入式脑机接口系统绝大部分集中在北美，而无创式系统的开发研究则主要分布于欧洲和亚洲[7]。

虽然我国研究起步相比国外较晚，但研究方向几乎都是无创式系统。WTEC评估小组认为随着我国神经科学基础研究和脑机接口系统研究项目的规模化、现代化发展，必将在不久的将来出现一流的侵入脑机接口项目[6]。而就在2012年2月，浙江大学郑筱祥教授的研究团队使猴子“建辉”成功完成了用大脑控制机械手进行一系列抓、勾、握等动作[8]，也的确印证了评估小组的推测。

随着计算机科学、材料科学和神经生物学等学科不断交叉融合与迅速发展，不同领域的研究者共同推动了脑机接口技术研究的深入[6]，这也体现出了该领域在各个学科交叉发展的现状。而人类对不同生理状况下的特征脑电的研究推动了脑机接口技术在康复等医疗领域的发展，相关领域中基于脑机接口技术的设计也将更具灵活性。

表1 国内引用量前10名的文献

表2 国外引用量前10名的文献

4 结语

综合国内外文献，脑机接口技术发展日益迅速，国外研究起步较早，发表文献多，研究方向更偏向医药卫生学科，而国内研究更偏重计算机工业技术。

从长远来看，脑机接口技术在医学领域具有很大的发展空间，特别是对一些疾病的缓解或治愈有重要意义。例如，对于有运动障碍的病患，通过脑机接口技术接入外部设备，恢复相应功能。但研究过程中计算机科学技术的精密仪器制备以及生物学方面脑信号的传递与转换都是重要环节[9]，而这些环节目前仍停留在实验阶段并且很难转化为临床实践。

但随着人工智能与生命科学的发展，脑机接口技术的广泛应用也将成为可能，对医疗、救援、军事、信息等众多领域产生十分深远的影响，对于国家战略性发展有着重大意义。人们也可将这一技术与控脑动物的研究结合起来，实现计算机控制大脑，达到对动物的行为进行控制的目的[10]。脑机接口技术也可应用到建筑设计、竞技体育运动训练、素质教育等领域，通过对不同状态下脑电信号的差异分析，利用特定的软件进行锻炼，让大脑更快速地进入最好的工作、学习或放松状态。该技术的研究与发展仍然需要各个领域研究者的共同努力，只有这样，脑机接口技术才有可能早日应用于现实生活，并最终惠及大众。