将植入式脑机接口转化为医疗设备面临的挑战

邓春山、李骁健、戴辑

中国科学院深圳先进技术研究院

植入式脑机接口（iBCI）是目前一大快速发展的有源植入式医疗设备领域。为了实现大脑与计算机/机器之间的直接通信，iBCI通过在大脑中植入电极（包括皮质电图（ECoG）电极）来收集神经信号，从而实现神经元水平的直接信号读取。由于iBCI能够收集高通量和高时空分辨率的神经信号，因此在实现实时、精确的脑机交互和临床应用方面，iBCI比非侵入式BCI具有更大的潜力，包括缺陷恢复/替代和精神障碍诊断/治疗。

一个完整的iBCI系统由神经信息采集设备（传感器）、神经信息解析设备（处理器）、功能执行设备（效应器）和反馈训练设备（反馈）组成。具体来说，"传感器"是BCI系统的关键组成部分，该系统利用神经接口技术来感知脑神经信号，包括使用微电极来记录神经元活动产生的细微电信号。"处理器"对"传感器"记录的模拟电信号进行过滤和放大，转换成数字信号进行预处理，通过数字处理算法提取神经特征信息，并使用近乎实时的解码算法将提取的信息特征转换成可理解的信号，完成神经信息解码。"效应器"从信号处理器接收解码后的大脑信息，实现用户的意图。常用的交互设备包括人工耳蜗、智能轮椅、机械臂、数字终端等。最终，iBCI系统在大脑和外部设备之间建立了一个信息通信渠道，但仍需要进行"反馈"训练，使大脑能够熟练地直接控制外部设备。其原理是通过闭环反馈训练，利用内置设备对大脑进行电刺激，重塑相关神经网络，建立新的大脑控制功能。

这些特点共同决定了将iBCI技术转化为可行的医疗设备具有挑战性，这需要复杂的有效集成和提高算法的计算能力。本着鼓励创新的精神和尽快推出临床设备的迫切需求，美国食品和药物管理局（FDA）于2021年5月发布了《Implanted Brain-Computer Interface Devices for Patients with Paralysis or Amputation-Non-Clinical Testing and Clinical Considerations》。该指南为用于瘫痪或截肢患者的iBCI（包括连接到中枢或外周神经系统以恢复或替代瘫痪或截肢患者运动功能的设备）提供了实验性设备豁免（IDE）。除以往的医疗设备规范外，本指南还新增了神经数据的收集、传输和分析过程中的数据安全以及培训用户（如患者、外科医生、康复治疗师和护理人员）的必要性等重点内容。

根据指导方针，为促进iBCI的顺利发展，下面，我们列出了主要挑战和我们的观点如下（图1）。

图1 将植入式脑机接口转化为医疗设备面临多重挑战

(1)数据隐私和通信安全：iBCI收集大量神经信号数据，在信号处理过程中需要软件对信号进行解码和编码。在软件使用过程中，必须确保数据访问安全性，避免任何数据泄露。进行严格的测试以验证软件的功能。对于由软件控制的辅助组件（如电动轮椅、机械臂和其他效应器），建议确保通信安全，防止任何通过网络进行非法控制。

(2)系统模块化：一套iBCI系统由多个复杂组件组成。对于任何制造商来说，要同时且独立生产出所有高质量部件是一项挑战。因此，建议以模块化方式设计整个iBCI系统，这样在设计、制造和维护方面都具有优势。例如，一个iBCI系统可以分为多个模块，包括传感器、处理器、通信器和效应器，不同的制造商可以专注于完善一个或多个模块。所有模块和配置的设备都必须符合强制性法规要求，如生物相容性、无菌性、热原性、电气安全、电磁兼容性、无线技术、磁共振兼容性等，以满足医疗器械注册的要求。

(3)人因工程考虑：iBCI作为一种医疗设备，不仅包括硬件和软件，还包括后续医疗服务，即提供使用说明和反馈培训计划。然而，即使设备按照说明书操作，用户（如病人、外科医生、康复治疗师和护理人员）在操作过程中仍可能存在风险。要克服这种操作安全风险，就必须全面了解用户行为、使用环境以及环境对设备使用的潜在影响。因此，在设备设计过程中必须反复进行可用性评估。此外，在临床应用场景中，植入BCI设备的患者需要一名愿意并有能力提供基本协助的护理人员，例如在家庭使用期间管理设备的启动和维护、连接电极和启动系统、监控患者以及在需要时联系医生。因此，应评估护理人员的安全意识及其协助用户的能力。为了普及iBCI设备在家庭环境中的使用，用户和护理人员必须在离开医院前接受充分有效的培训。

(4)充足的临床试验观察周期：在设计临床试验时，应明确研究目标和假设。根据目标人群和疾病类型选择合适的纳入和排除标准，确定关键端点，包括主要安全性端点、主要疗效端点和次要疗效端点。进行长期随访以验证iBCI设备的安全性和有效性也很重要，因为耐用性和可靠性是评估疗效的重要因素。例如，临床试验应揭示传感器模块在植入后检测神经信号的长期耐用性和可靠性。

(5)经济承受能力：最后，在将医疗设备推向市场之前，必须考虑用户的经济承受能力。iBCI设备的成本可能包括直接成本和间接成本，这在很大程度上决定了用户的选择、市场范围以及产品的最终实现。例如，如果只有极少数人能够负担得起设备和附属服务，那么该设备成为常规医疗设备的可能性为零。因此，要想提供普遍负担得起的设备和服务，企业在设计和生产过程中就应制定明确的营销策略。

总的来说，iBCI作为有源植入式医疗器械领域的前沿系统，不可避免地会面临各种性能和安全方面的挑战，尤其是在我们对大脑的认知与我们所追求的目标之间仍存在巨大差距的情况下。尽管如此，iBCI技术正在从科学研究向临床应用过渡，美国已有多家公司获得了FDA的突破性设备认证或进入临床试验阶段。一方面，随着微/纳米加工、微电子、电源、无线通信等技术的快速发展，iBCI设备将不断迭代升级。另一方面，随着人工智能的发展，iBCI技术的应用提高了人脑数据采集的效率，进而有利于解码算法的优化，加深对大脑工作原理的理解。这两个方面的合作将为iBCI设备的发展带来螺旋式的上升。在可预见的未来，通过与患者、神经外科医生、康复治疗师和护理人员的合作，iBCI设备的成功应用无疑会取得治疗效果。为了进一步加快iBCI技术向医疗设备的转化，设备开发和生产企业、医生和患者代表、学术界专业人士以及政府机构之间必须保持密切沟通。在各方的共同努力下，iBCI作为创新医疗器械的推广前景可期。

参考

https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-med.2023.100040

Deng C., Li X., and Dai J. (2023). Challenges for translating implantable brain-computer interface to medical device. The Innovation Medicine 1(3), 100040. https://doi.org/10.59717/j.xinn-med.2023.100040

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