腦機(jī)接口技術(shù)的專利分析

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心 吳瓊樂

腦機(jī)接口是一種涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的新穎人機(jī)交互技術(shù)，本文基于Incopat專利庫，對腦機(jī)接口技術(shù)的專利進(jìn)行申請趨勢、技術(shù)生命周期、申請人排名、IPC申請趨勢、申請人國別等進(jìn)行分析及總結(jié)，可以為腦機(jī)接口領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展動態(tài)提供一定的情報(bào)參考。

腦機(jī)接口(BCI)技術(shù)是一種全新顛覆性的人機(jī)交互技術(shù)[1-3]。BCI由美國加州大學(xué)Jacques Vidal教授于1973年提出。1999年，第1屆國際BCI大會正式給出BCI定義：通過分析人或動物的腦電信號而建立起來的交互系統(tǒng)[4，6]。近年來，醫(yī)學(xué)和電子信息的蓬勃發(fā)展，推動著BCI技術(shù)的深入研究，逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、電子信息和軍事等眾多領(lǐng)域，從而引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)的熱潮。

專利信息在某種程度上可以反映出某種技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)成熟度以及未來發(fā)展趨勢[7]?；谀X機(jī)接口技術(shù)的專利信息，本文研究該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和技術(shù)動向。

1 數(shù)據(jù)來源與分析工具

BCI交互是直接利用腦電(electroencepha logram，EEG)信號向計(jì)算機(jī)輸入字符，使用者在大腦中執(zhí)行想輸入的字符，同時采集EEG信號，接著對EEG信號進(jìn)行處理獲得輸出指令并顯示輸入字符，通過神經(jīng)反饋將顯示字符展示給使用者，判斷是否為想輸出的字符，進(jìn)而不斷調(diào)整和改進(jìn)[8]。該技術(shù)已經(jīng)促使包括數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域的交叉融合[9-10]。

本文以Incopat專利數(shù)據(jù)庫為來源。通過調(diào)研關(guān)鍵詞在檢索測試的結(jié)果，提煉出相應(yīng)中英文關(guān)鍵詞。使用檢索式“TIABC=((((腦機(jī)OR腦-機(jī))(S)(接口OR交互))OR((brain OR neural OR mind) (S) (computer OR machine)(S) interface) OR (neural (S)control(S) Interface) OR (direct(S) neural (S) Interface)))，初步檢索到相關(guān)專利數(shù)據(jù)6671條，接著剔除不符合研究范疇的文獻(xiàn)，使用DocDB同族合并，最終確定4424個專利家族。

2 專利數(shù)據(jù)分析

2.1 全球申請趨勢分析

通過分析不同年份的專利申請量，獲得專利申請趨勢，可以掌握某種技術(shù)在不同時期的專利申請變化情況。除特殊情況，專利數(shù)據(jù)從申請日到公布日，最長存在18個月的滯后期，2021—2022年數(shù)據(jù)僅供參考。

根據(jù)圖1可知，2006年前，腦機(jī)接口技術(shù)處于萌芽狀態(tài)，每年的專利申請量不到40件；2007-2012年，腦機(jī)接口技術(shù)申請量逐年增加，從41件增加到168件，處于緩慢增長期；2013年至今，腦機(jī)接口技術(shù)申請總量明顯增多，從217件增加到500件以上，處于快速增長期。

圖1 腦機(jī)接口專利申請趨勢Fig.1 Brain computer interface patent application trend

2.2 技術(shù)生命周期分析

通過生命周期分析，可以判斷某種技術(shù)所處發(fā)展階段，由此推測出某種技術(shù)的未來發(fā)展方向和趨勢。

根據(jù)圖2可知，該技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷以下幾個階段：

圖2 腦機(jī)接口專利生命周期圖Fig.2 Brain computer interface patent life cycle diagram

（1）2006年之前萌芽期。腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展不確定，只有少數(shù)幾個企業(yè)參與技術(shù)研究與市場開發(fā)，雖然在2003—2004年出現(xiàn)申請人數(shù)量從38個增到81個，但2006年迅速降回2003年的30個，說明該技術(shù)發(fā)展遇到技術(shù)難點(diǎn)，陷入瓶頸。

（2）2007-至今發(fā)展期。1）2007-2012年的慢速發(fā)展期，申請人數(shù)量與申請數(shù)量呈波動式增長，表明再次遇到發(fā)展瓶頸，科研人員集中研究解決該技術(shù)的難點(diǎn)盲點(diǎn)；2）2013-至今的快速發(fā)展期。雖然在2013年出現(xiàn)申請人數(shù)量下降情況，然而申請數(shù)量卻一直處于增長，尤其是在2018年申請數(shù)量從336件大幅增到566件，這說明腦機(jī)技術(shù)已經(jīng)提出新技術(shù)或方法并帶來重大技術(shù)突破，帶來該技術(shù)新一輪的增長階段。

2.3 申請人排名分析

通過統(tǒng)計(jì)申請人的專利數(shù)量排名次序，可以分析出創(chuàng)新水平高以及研究成果多的專利申請人。

如圖3所示，從申請人類型看，在全球排名的前10位的申請人中包括9家高校，只有1家企業(yè)三星電子，表明腦機(jī)接口領(lǐng)域，目前還處于研究階段。從申請人國別看，8家申請人來自中國，剩余2家來自韓國，這表明目前中國和韓國處于專利申請領(lǐng)先地位。從申請數(shù)量看，即使排名第一的天津大學(xué)申請量也只有115件，而第4-10名申請量相差不大。這也就是說，腦機(jī)接口領(lǐng)域尚處于快速發(fā)展階段，正是搶占腦機(jī)接口市場藍(lán)海區(qū)域的最佳時機(jī)。

圖3 腦機(jī)接口專利申請人排名Fig.3 Ranking of brain computer interface patent applicants

2.4 IPC申請趨勢分析

IPC分類號根據(jù)專利申請涉及的技術(shù)方案所屬的領(lǐng)域來確定分類[11]，對IPC申請趨勢情況統(tǒng)計(jì)分析，可以甄別出該技術(shù)的重點(diǎn)及熱點(diǎn)領(lǐng)域[12]。如圖4所示的申請趨勢圖，其中圓圈越大表示專利數(shù)量越多。

圖4 腦機(jī)接口專利各IPC領(lǐng)域?qū)＠暾堏厔軫ig.4 Patent application trend of brain computer interfacepatents in IPC fields

根據(jù)圖4縱向趨勢可知，腦機(jī)接口技術(shù)的專利主要分布在G06F、A61B、G06N。最主要研究方向是讀取腦電信號，將其解碼成電子設(shè)備的控制信號，這與數(shù)據(jù)處理尤其是腦電信號緊密相關(guān)[13］；接著在醫(yī)學(xué)，如神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷、鑒定、治療和康復(fù)中具有潛在應(yīng)用價值[14，15]；最后還應(yīng)用在智能通信領(lǐng)域，如用“意念”控制智能家電和無人駕駛，娛樂領(lǐng)域如與VR技術(shù)結(jié)合的腦機(jī)游戲[8，16，17]。

根據(jù)圖4橫向趨勢可知。2012年前，幾個領(lǐng)域的差距并不明顯，2013年后G06F和A61B領(lǐng)域的申請量明顯增長，數(shù)量遠(yuǎn)大于其他幾個領(lǐng)域。2018年起G06N領(lǐng)域申請量爆發(fā)式增加，超過A61B領(lǐng)域，同時G06K也開始有一定規(guī)模申請量，這與找到全新的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)系。

2.5 專利申請人國別分析

某種技術(shù)的申請人國別的申請量越多，則意味著該國申請人在該技術(shù)的創(chuàng)新能力越高，也能在一定程度上反映出該國對該技術(shù)領(lǐng)域的重視程度和技術(shù)實(shí)力[18]。

如圖5所示，申請人排名依次包括中國、美國、韓國等。目前中國以54.5%占比處于第一，我國在腦機(jī)接口領(lǐng)域研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)，但以高校為主，并未形成產(chǎn)業(yè)鏈。美國以18.91%占比緊隨其后，不僅是因2004年起美國開始投資研究BCI[19]，而且也因?yàn)槊绹髽I(yè)進(jìn)軍腦機(jī)領(lǐng)域如2019年Neuralink公司發(fā)布腦機(jī)接口植入機(jī)器人[20，21]。注意到排名前10包括多個歐洲國家例如德國、英國等，說明歐洲的研發(fā)人員創(chuàng)新能力較強(qiáng)。

圖5 腦機(jī)接口技術(shù)專利各IPC領(lǐng)域?qū)＠暾埲藝鴦eFig.5 Countries of patent applicants in IPC fields for brain computer interface technology patents

3 結(jié)論

綜上所述，對腦機(jī)接口技術(shù)的全球?qū)＠麛?shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯總和分析，得出以下結(jié)論：

（1）從申請數(shù)量和申請人數(shù)量而言，腦機(jī)接口技術(shù)在歷經(jīng)萌芽期和緩慢發(fā)展期后，迎來快速發(fā)展期，近20年經(jīng)歷了多次瓶頸期，帶來了多次新技術(shù)的突破。

（2）從申請人和申請國別而言，中國和美國一直處于領(lǐng)先地位，然而研究創(chuàng)新主體卻在各國高校。未來需要考慮與相關(guān)公司企業(yè)加強(qiáng)合作交流，推動腦機(jī)接口領(lǐng)域的成果實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

（3）從申請技術(shù)領(lǐng)域而言，目前主要是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，側(cè)重在運(yùn)動功能障礙康復(fù)[8，14，15]?？梢灶A(yù)測，隨著研究的不斷深入，必將推動腦機(jī)接口更多應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和逐步應(yīng)用在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，進(jìn)一步提高人類的生活質(zhì)量。

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