脑电信号采集领域专利布局及产业发展路径研究
赵海增 李锦川
随着全球脑科学计划持续推进、人工智能产业快速迭代以及公众神经健康需求不断升级，脑机接口技术正逐步从实验室基础研究阶段迈向临床试验与产业化探索阶段。在脑机接口完整技术链条中，脑电信号采集是系统最前端、最核心的环节。采集电极的结构性能、材料特性与信号分辨率等，直接影响后续信号解码精度、系统稳定性与产品落地场景边界，是制约行业产业化发展的关键环节之一。
当前，我国脑电信号采集领域创新活跃度持续提升，专利申请总量持续增长。笔者梳理该领域专利布局态势与关键核心技术，分析国内产业创新状况，并从技术攻关、知识产权布局、产业转化等角度提出发展建议，以期为产业高质量发展提供参考。
国内外专利布局情况
通过公开专利数据分析可知，脑电信号采集领域创新活动相对集中，形成了高校、科研机构、医疗器械企业、消费电子企业等多类主体协同互动的差异化竞争生态。
从专利申请趋势看，我国在该领域的发展大致可分为三个阶段：2013年以前为技术萌芽期和积累期，国内研发体量较小，年度专利申请总量维持在百件以内，创新主体以高校及科研院所为主。该阶段技术研发主要满足基础临床脑电图检测需求，以非侵入式电极为主，新型电极结构、柔性材料、微创植入等前沿技术的专利布局较少。2013年至2018年为稳步增长期，随着各国脑科学计划相继启动，脑机接口成为全球前沿科技竞争方向，国内高校、科研院所加大脑电电极基础研究投入，实验室成果逐步转化为专利申请。2019年至今为快速增长期，在政策引导下，脑科学与脑机接口成为前沿重点方向，高校、科研院所和企业加大技术攻关力度，行业技术迭代与专利布局进入快车道，年度专利申请总量持续上升，2021年突破千件，此后连续多年保持在千件以上。除传统消费级非侵入式电极持续迭代外，高端侵入式电极赛道的专利布局密集涌现，企业创新主体地位持续强化，逐步形成高校基础研究与企业工程转化相衔接的创新体系。
从细分技术分支看，非侵入式电极始终是相关领域国内专利布局的主要构成，产业基础较为雄厚。非侵入式电极技术研发起步早、门槛相对较低、安全性较高、应用场景较广，适配医疗筛查、睡眠监测等消费与医疗场景。2016年前后，我国消费级可穿戴产业进入规模化发展阶段，柔性传感材料、低功耗芯片、无线传输等技术积累向非侵入式脑电信号采集领域外溢，并与注意力训练、冥想放松等新兴消费需求叠加，带动国内创新主体围绕干电极、柔性表皮电极等硬件开展技术攻关。从创新主体结构看，非侵入式电极创新高度集中于国内高校与科研院所，天津大学、杭州电子科技大学、华南理工大学等长期深耕电极材料、结构优化、降噪设计等基础研究，专利储备体量较大，构成国内无创脑电采集技术的重要创新基础。
侵入式电极作为高端医疗级核心技术赛道，与海外专利布局相比，国内呈现起步较晚、增速较快、潜力较大的特征。自2019年前后起，随着脑科学战略部署推进、脑机接口产业政策支持力度加大，以及重大神经系统疾病诊疗与神经康复需求升级，国内侵入式电极专利申请进入活跃期，专利申请量持续增长，其中柔性侵入式电极、脑深部多功能电极、血管介入式微创电极成为核心布局热点。从全球态势看，国外创新呈现高端侵入式技术起步较早、非侵入式技术并行发展的格局，基础专利较为扎实、全球布局较为完善；国内则呈现非侵入式技术趋于成熟、侵入式技术快速追赶的态势，国际知识产权竞争力仍有提升空间。
关键核心技术分析
当前，非侵入式电极与侵入式电极构成脑电信号采集技术体系的两大路线。两类技术迭代路径较为清晰、技术特征互补、应用场景分层，各自具备独特优势与产业化短板，共同构成脑电采集产业的技术主体。
非侵入式电极贴附于头皮表层，具有安全便捷、成本相对较低等特点，是目前大规模落地应用的主要技术，已广泛应用于临床常规脑电图检测、睡眠监测、情绪识别、注意力评估和消费级人机交互等场景。侵入式电极则经手术或微创介入植入颅内，可精准捕捉神经元锋电位和/或局部场电位，时空分辨率较高，多用于医疗康复、神经功能重建与高端神经科研等场景；按植入位置与植入路径，可分为皮层表面电极、皮层内微电极、脑深部电极、颅内血管介入式电极四类。近年来，国内侵入式脑机接口加速向临床转化，例如中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心等团队完成多例柔性侵入式电极人体临床试验，受试者可凭借意念操控光标、轮椅等设备。
早期非侵入式与侵入式脑电信号采集电极多采用硬质材料，结构功能相对单一，采集通道数量有限。此后，技术演进主要沿电极材料革新、结构形态演变、信号采集能力提升三个方向展开：在电极材料革新方面，非侵入式电极领域为破解传统湿电极依赖导电膏、易刺激皮肤、使用烦琐等痛点，创新主体开发柔性导电高分子、导电织物、纳米碳基材料等，研制干电极与半干电极，以适配可穿戴脑电监测场景。例如，复旦大学研发的一种柔性接触脑电电极及其制备方法，采用硅胶基底复合导电层，可适配脑电帽，兼顾采集质量与佩戴舒适度。侵入式电极方面，为缓解传统硬质电极材料诱发局部炎症、损伤脑组织的问题，创新主体攻关柔性侵入式电极技术，采用聚酰亚胺、SU-8与蚕丝蛋白等低模量柔性材料替代硅基底，使力学特性与脑组织更加匹配，降低脑部机械损伤与炎症反应，提升长期植入稳定性。国内在该方向虽起步较晚，但追赶迅速，例如北京脑科学与类脑研究所研发的一种凝胶层及设有该凝胶层的植入式柔性脑机接口电极，通过共价交联结构优化电极力学性能，实现电极模量与脑组织较高程度适配。
在电极结构形态方面，非侵入式电极由单点圆形电极逐步向柔性薄膜阵列、织物阵列演进，以曲面贴合适配头表轮廓，并集成传感、信号预处理模块，推动一体化可穿戴脑电设备发展。例如清华大学的无创可赋形双模态脑机接口，将头皮脑电电极与近红外光学探头成对集成，实现脑电与血氧信号同步采集。侵入式电极方面，创新主体突破单一信号采集局限，实现多信号采集、电刺激、光调控一体化闭环功能，迭代出多模态集成电极。国内在该方向与国外差距逐步缩小，纯电生理侵入式电极与电刺激闭环技术在国内成熟度较高，例如景昱医疗科技（苏州）股份有限公司的电极导线、刺激器系统以及计算机可读存储介质，其电极触点可用于采集患者生物电信号，或根据刺激脉冲信号向患者体内组织递送电刺激。
在信号采集能力方面，非侵入式电极由少量通道单点采集向高密度头皮阵列发展，通过优化电极排布提升空间采样能力。国内消费级、医疗级多通道头皮电极专利布局较为充分，技术水平与国际水平基本持平。侵入式电极方面，近年来，超高集成、多通道采集技术不断涌现，国内在高通道数、底层材料与微纳制造能力上与国外仍有差距，但创新主体持续布局相关专利，逐步突破多通道采集技术瓶颈。例如上海脑虎科技有限公司的一种柔性神经电极封装结构、制备方法及设备，通过三维封装将二维柔性电极阵列集成为一体化3D柔性神经电极阵列，实现大脑区域高密度、高空间分辨的神经信号采集。
整体而言，我国脑电信号采集技术已经实现了局部创新跨越，但仍然存在一定短板：一是长期植入稳定性不足，界面阻抗漂移、生物降解等问题尚未完全攻克；二是多功能集成工艺不成熟，多模块信号串扰、微型化封装、低功耗设计等问题仍然是难点；三是超高通道集成能力不足，多数器件的通道规模、集成度与国外仍存在差距；四是临床转化周期较长，医疗器械审评审批要求较高，规模化临床应用尚未完全落地。
产业发展优化建议
综合专利布局与技术发展态势分析，我国脑电信号采集技术已进入快速发展期，非侵入式技术基本实现自主可控，侵入式技术实现快速追赶，创新体系日趋完善，但仍存在若干有待解决的问题。立足产业长远高质量发展需求，结合行业技术迭代趋势，笔者从技术创新、知识产权布局、产业转化三个维度提出建议。
第一，聚焦核心技术攻坚，构建前沿技术竞争优势。国内创新主体应补齐技术短板，集中科研资源攻关关键核心技术。在侵入式领域，重点突破柔性电极长效稳定材料、超高通道高密度集成工艺、闭环多功能调控等核心技术，攻克长期植入信号漂移、组织炎症、器件老化等难题，对标国际超高通道技术水平，打造国产高端侵入式电极核心产品，夯实医疗级脑机接口技术基础。在非侵入式领域，重点攻坚干电极低阻抗稳定接触、毛发适配结构优化、运动伪影降噪、柔性贴合材料改良等技术，缩小干电极与湿电极的信号差距，兼顾佩戴舒适性与采集精度，推动消费级产品迭代升级。同时，关注微创血管介入电极、多功能集成电极等前沿方向，通过专利导航识别技术空白，提前布局前沿专利，形成差异化竞争壁垒。
第二，强化全球专利布局，构建全方位知识产权保护体系。当前，国内脑电信号采集相关专利多聚焦本土市场，海外专利布局体量有限，全球知识产权储备仍有待完善，该现状一定程度上制约了相关技术的国际化推广，技术跨境落地过程中也可能面临知识产权合规风险。未来，国内创新主体应树立全球化知识产权战略思维，针对柔性电极材料、超高通道阵列结构、微创介入工艺、干电极新型结构等高价值核心技术，积极通过《专利合作条约》（PCT）途径提交国际专利申请，构建国内核心保护与海外延伸布局相结合的全维度专利壁垒。同时，建立专利风险预警机制，常态化跟踪海外头部企业专利动态，规避侵权风险，提升我国脑电信号采集技术的国际竞争力。
第三，打通产学研医协同转化通道，加速技术产业化落地。当前，国内脑电采集领域呈现高校源头创新专利储备丰富、产业化落地相对不足的特征，部分高价值发明专利未能有效实施，技术潜力有待进一步挖掘。各地政府可协同创新主体搭建高校、科研院所、企业、医疗机构深度协同的创新转化平台，建立专利挖掘、技术孵化、临床验证、产品落地的全链条转化机制；充分发挥高校基础研究与原创创新优势、企业工程化产业化优势、医疗机构临床验证优势，推动柔性侵入式电极、多功能闭环电极、新型干电极等前沿专利技术快速产品化、临床化；坚持消费级非侵入式设备与医疗级侵入式设备双线并行发展，依托成熟非侵入式技术扩大产业规模，依托高端侵入式技术布局未来方向，完善我国脑电信号采集全链条产业体系，推动脑机接口产业高质量、规模化、国际化发展。
结语
脑电信号采集是脑机接口的源头核心环节，对国内脑机接口产业发展具有关键支撑作用。从专利布局看，国内脑电信号采集专利申请数量于2019年前后进入快速增长阶段。我国非侵入式脑电采集技术基本实现自主可控，但侵入式脑电采集技术在超高通道集成、长期植入可靠性、核心材料等方面仍与国际头部主体存在差距。未来，国内脑电信号采集领域创新主体应集中力量突破关键核心技术，构筑高价值专利壁垒，完善全球知识产权布局，打通产学研医转化链条，兼顾消费级与医疗级场景协同发展，推动我国脑机接口产业实现高质量发展。
（本文仅代表作者个人观点）
（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心）
（编辑：刘珊 实习编辑：蔡友良）