Page 59 - 《中国医疗器械杂志》2026年第1期
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Chinese Journal of Medical Instrumentation                                         2026年 第50卷 第1期

                                                    综     合     评    述



             【Key words】 optical  brain-computer  interface  (OBCI),  brain-computer  interface  (BCI),  functional  near-infrared
                          spectroscopy, optogenetics, optical calcium imaging


               0    引言                                         （
                                                                 magnetoencephalography, MEG）技术的脑磁图脑
                                                                                     机接口技术（MEG-BCI）也存在诸多不足。例如
                  科研人员从未停止对人类复杂疾病治愈方法
                                                                EEG-BCI技术存在电极阻抗影响和材料的稳定性问
              的探索与研究，尤其是脑功能和神经性疾病。这
                                                                题，MEG-BCI技术存在外部记录神经磁场强度远
              些疾病普遍存在药物治疗效果有限、常规诊断手
                                                                低于干扰信号的问题等           [13-14] 。
              段不及时、误诊率高等问题              [1-3] 。为了攻克此类复
                                                                    近年来，光电子学与微电子学进入高速发展时
              杂疾病，自1973年美国计算机科学家雅克·维达尔                          代，新诞生的高性能光电器件和系统同生物医疗技
             （                                                  术相结合运用，伴随着各种光学、光电子学等手段
               Jacques J. Vidal）正式提出“脑机接口（ brain-
                                                     [4]
              computer interface, BCI）”这一专业术语 以来，               对神经信号采集和传递技术的改进，这些为神经科
              脑机接口技术正逐渐在医疗领域新兴运用。至                              学研究和BCI的发展提供了更多选择和支持。光学
              今，该技术已发展成一种可以通过读取患者脑部                             脑机接口（optical brain-computer interface, OBCI）
              电生理活动，使患者脑部信号与外部设备直接通                             技术正作为一种新型的BCI医疗器械技术，逐渐成
              信或控制外部设备，进行大脑和外部环境交互，                             为研究热点。其基于光学方式并通过光电子器件进
              进而产生或转化正常人类行为，达到诊断、治疗                             行光电信号转化与脑神经信号相互作用，实现脑部
              肢 体 障 碍 或 瘫 痪 目 的 的 BCI医 疗 器 械 技 术         [5-6] 。  信号与外部设备的通信或控制外部设备，以及对人
              例如，近年来已提出了利用基于脑机接口技术的嗅                            脑的光遗传学调控、无线光电刺激等功能。OBCI
              觉神经信号识别以实现阿尔茨海默病（Alzheimer's                      技术为现有的BCI医疗器械技术存在的问题提供了
                                            [7]
              disease, AD）的准确筛查与诊断 ；肌萎缩侧索硬                      新的解决思路，并展现出新一代BCI技术在医疗领
              化（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）、脊髓损伤        域的巨大潜力和优势。本文综述了3种OBCI技术，
              等运动障碍患者可通过BCI医疗器械技术恢复运动                           先是阐明了实现OBCI技术的基础性原理；再分别
              功能 ；致盲患者应用BCI技术绕过受损的视觉系                           介绍了OBCI技术中应用最多的功能性近红外光谱
                  [8]
                             [9]
              统重建视觉功能 等。                                        脑机接口（functional near-infrared spectroscopy BCI,
                  目前，在众多BCI技术研究中，最常见的技术                         fNIRS-BCI）技术的基本原理和研究进展、基于光
              类 型 之 一 是 基 于 脑 电 图 （ electroencephalogram,       遗传学BCI技术的作用机制和优势，以及当前光学
              EEG）信号的脑电图脑机接口（EEG-BCI）技术。                        钙成像BCI技术的研究前沿；最后，对OBCI技术的
              这种技术是一种通过头皮记录大脑中神经元激发产                            医疗器械检测技术提出了建议和展望。
              生的电活动的非侵入式BCI技术。相较于通过手术                            1    光学脑机接口技术的研究基础
              将电极或传感器植入脑皮质附近或深部脑结构中，
              如基于微电极阵列（microelectrode array, MEA）、                  OBCI技术的基础科学研究本质上是对神经元
                                                                                       [15]
              皮质脑电（electrocorticography, ECoG）等半侵入              与二极管相互作用的探究 。神经元是构成中枢神
              式或侵入式的BCI技术，EEG-BCI虽然未能获得                         经系统的基本结构和功能单元，是主要通过电化学
              更高的空间和时间分辨率的神经信号，但是具有                             信 号 进 行 感 知 、 传 递 、 处 理 和 响 应 外 界 刺 激

              可避免外科创伤手术或降低并发症等优点                        [10-11] 。 （如光、电、声）的一种细胞。在OBCI技术中，

              半侵入或侵入式BCI技术可获取的信噪比较高， “脑”实际上对应研究的就是神经元，如图1a所
              却面临着术后免疫反应和愈伤组织导致信号质量衰                            示。而二极管则是构成OBCI中“机”的基础应用
              减甚至信号丢失的挑战             [12] 。一旦植入了侵入式             研究对象，通常是指发光二极管（light emitting
              BCI设备，就不可能灵活地移动它来测量大脑的其                           diode, LED）、光电二极管（photodiode, PD）等
              他部位以监测多种疾病的不同脑区功能活动机理。                            半导体光电器件。
              因此，非侵入式BCI技术具有避免创伤手术的优                                半导体光电器件这类基础元器件具有二极管
              势，仍然是很多研究与临床应用的首选医疗器械技                            的伏安特性，在不同的工作条件下可将光能转化
              术。尽管如此，EEG-BCI技术以及基于脑磁图                           成电能或将电能转化成光能，进而实现光电信号


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