内容提要：植入式脑机接口目前正处于技术爆发阶段，该技术通过在大脑与外部设备之间建立通信，常用于言语康复、运动康复、神经康复和神经系统疾病治疗。文章就国内外脑机接口研究进展进行概述，介绍了美国食品药品管理局发布的关于植入式脑机接口设备指导原则的相关内容，也介绍了我国脑机接口设备的政策引导与技术监管的概况，同时对植入式脑机接口设备监管可能面临的挑战提出了相关思考，以期为该类产品的上市前监管提供思路。

关 键 词：脑机接口 植入式 监管

 

脑机接口是一种在大脑与外部设备之间建立通信，实现中枢神经系统信号传输的技术[1]。该技术经历了科学幻想阶段和科学论证阶段，未来将彻底改变人机交互方式[2-6]。随着生物医学工程、人工智能、神经科学等学科的融合发展，脑机接口技术正处于技术爆发阶段。我国脑机接口相关研究始于20 世纪90 年代末，虽然起步较晚，但在脑机接口领域的科研投入、产出已经走在世界前列。

 

本文仅针对植入式脑机接口设备进行探讨，即需通过神经外科手术将采集电极植入脑内特定部位，通过大脑电信号与外部辅助、增强或治疗设备实时双向交互，实现肢体运动、视觉、听觉及语言等功能恢复或代替及脑部疾病治疗等临床效果的有源医疗器械。

 

1.脑机接口研究进展概述

 

脑机接口设备通常包括以下几个模块：①信号采集模块（例如，导线和记录电极）；②信号处理模块，包括用于解码、编码信号和施加刺激（如适用）的软件以及相关硬件；③刺激传递模块（内部/ 外部刺激器和刺激电极）；④辅助操控装置（例如，假肢、轮椅、应用于完整肢体的功能性电刺激器、外骨骼或机器人系统、通信设备和计算机）；⑤神经反馈的传感器部件（如适用）；⑥程控仪。脑机接口设备对材料学、加工工艺、软件算法、手术技术等领域均提出了较大挑战。

 

肢体运动恢复是目前脑机接口最热门的应用领域，脑机接口设备通过对患者运动意图解码，实现患者对外部设备的控制。清华大学洪波团队采用“半侵入式”微创技术进行肢体运动恢复的研究，“半侵入式”技术将电极置于颅骨和大脑皮层之间的硬脑膜上，避免了开颅手术。该团队的首例植入手术已在北京市宣武医院完成，受试者高位截瘫超过十年，植入脑机接口设备后受试者通过一个月的训练能够驱动机械手套来实现抓握。第二例植入患者经过短时间的康复训练可通过脑机接口设备驱动屏幕光标进行操作。目前，该设备依据国家药品监督管理局《创新医疗器械特别审查程序》（国家药监局2018年第83号公告），已进入医疗器械创新通道。

 

浙江大学求是高等研究院与浙江大学医学院附属第二医院神经外科合作，通过侵入式脑机接口技术恢复了受试者精细运动的能力。该名受试者2019年因高位截瘫接受了脑机接口设备植入手术，经训练后恢复了部分大关节运动，包括操控机械臂完成举杯喝水、抓取食物、操纵鼠标等动作。精细运动对解码能力的要求更高，浙大团队继续通过两年的努力，使该受试者可通过操控机械臂书写汉字[7,8]。

 

除了运动恢复，脑机接口设备还可用于感官补偿，例如通过深度学习等算法对患者的神经活动进行解码并转换为文字、语音等，从而恢复患者的“交流”能力。加州大学戴维斯分校的研究团队开发了一款脑机接口设备用于恢复因瘫痪或肌萎缩侧索硬化（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）等神经系统疾病而无法说话的人的交流能力，该设备通过4 个植入左侧前脑回的电极芯片记录大脑皮层信号，并将脑电信号解码后转化为语音。一例ALS 患者接受了该脑机接口设备的植入手术，在接受第一次30min语音数据训练后，受试者达到了99.6%的词汇表达准确率，词汇量为50 个，在接受第二次1.4h 语音数据训练后，受试者达到了90.2%的词汇表达准确率，但词汇量增至125000 个，经过不断训练，植入脑机接口设备8.4 个月后受试者词汇表达准确率提升至97.5%[9]。

 

2.我国脑机接口设备相关政策与监管概况

 

脑机接口技术在我国受到了各级政府的高度关注和大力支持，2016 年国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》[10] 将“脑科学与类脑研究”列入科技创新2030 重大项目。2017 年科学技术部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员会四部委联合印发的《“十三五”国家基础研究专项规划》[11]，明确提出了脑科学与类脑研究将围绕脑与认知、脑机智能、脑的健康三个核心问题，统筹安排基础研究、转化应用和相关产业发展。2023 年9 月工信部印发的《工业和信息化部办公厅关于组织开展2023 年未来产业创新任务揭榜挂帅工作的通知》[12]，将通过揭榜挂帅的形式面向脑机接口等未来产业领域发掘培育一批掌握关键核心技术、具备较强创新能力的优势单位，加速新技术、新产品落地应用。

 

除了政策层面的支持，我国脑机接口标准化的工作也在稳步推进。2024 年7 月1 日，工业和信息化部发布了“工业和信息化部脑机接口标准化技术委员会筹建方案”（以下简称“方案”）[13]。脑机接口标准体系主要由基础共性、输入输出接口、脑机接口数据、应用、伦理和安全等五个部分组成。脑机接口标准化技术委员会成立后，将会优化完善标准化路线图，加快关键技术标准研制，推动标准宣贯实施。为促进脑机接口研究合规开展，防范脑机接口研究与技术应用过程中的科技伦理风险，国家科技伦理委员会人工智能伦理分委员会研究编制了《脑机接口研究伦理指引》[14]（以下简称“指引”），并于2024 年2 月发布。在“侵入式修复型脑机接口研究”章节中，明确指出植入式脑机接口设备在植入前应充分评估其风险和收益，确认其必要性和合理性。植入手术应尽量避免术中和术后的组织损伤、感染风险。术后应长期监控安全风险，在脑信号衰减消失或装置失能时及时处置。

 

2023 年9 月27 日，人工智能医疗器械创新合作平台召开2023 年第二次管理委员会会议，平台成员单位中国信通院提请成立脑机接口研究工作组（以下简称“工作组”），经管委会讨论，一致同意成立该工作组[15]。2023年10月31日，工作组更新了《脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书》[16]。与2021年版的白皮书相比，新版白皮书增加了脑机接口的新技术、以用户为中心的脑机接口设计和评价方法、脑机接口技术医疗应用的标准化操作流程与功效评价方法等内容，其中，脑机接口可用性评估指标和脑机接口医疗应用功效评价方法，对脑机接口生产企业的设计开发和评估具有实际的指导作用。

 

3.FDA脑机接口设备监管的关注点

 

凭借人才与技术优势，美国在脑机接口领域仍然处于领先地位，美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）关于脑机接口监管体系的建设也在不断完善，具有一定的借鉴意义。

 

Neuralink 是全球最受关注的脑机接口设备公司，Neuralink的植入式芯片含有64 根聚合物柔性线插入大脑运动皮层，提供1024 个记录单个神经元活动的位点。在2023年5 月正式批准Neuralink 可开展人体临床研究之前，FDA曾以安全风险为由至少两次拒绝了Neuralink的临床试验申请。FDA关心的风险点包括但不限于：植入设备的锂电池、微小导线游离至大脑其他区域，移除植入物产生的脑损伤、发热以及术后炎症等[17,18]。2024 年1 月28 日，Noland Arbaugh作为Neuralink芯片首位人类受试者，接受了脑机接口设备植入手术。术后一个月有85%的柔性线从Noland的大脑中缩回，导致设备无法正常工作。为了解决该问题，Neuralink 改进了算法，使用剩余电极记录电极附近神经元群的平均放电而不再是单个神经元的电信号[19,20]。

 

Neuralink 开展临床试验的经历值得各监管机构借鉴，由于脑机接口设备长期植入风险高且潜在风险尚未被充分识别，再加上取出难度大，从保护医疗器械临床试验过程中受试者权益的角度考虑，申请人在临床试验前应开展充分的研究，对拟申报脑机接口设备的安全性和有效性进行充分评估，并有处置的预案。

 

FDA于2021年5月20日发布了《用于瘫痪或截肢患者的植入式脑机接口（BCI）设备的非临床和临床考虑因素——行业和FDA工作人员指南》[21]（以下简称“指南”），该指南为用于恢复瘫痪或截肢患者丧失的运动和/ 或感官功能的植入式脑机接口设备的非临床和临床试验设计提供了指导。

 

指南认为脑机接口设备可通过动物试验评估设备安全性、有效性和长期植入的可靠性等内容，但无法评估认知。动物试验可基于设备的作用机制和风险控制情况进行设计。动物模型的选择建议考虑设备类型、适应证和植入部位，动物数量应充足，动物试验持续时间取决于设备的预期风险。动物试验的手术方法及手术部位应在报告中进行详细描述并说明其与临床实际使用的差异，动物试验应尽可能使用临床预期使用的手术工具。若植入部件预期可取出，则建议在动物试验时验证取出植入部件后的安全性。

 

指南建议对植入组织进行组织病理学或组织形态学评估，包括结构分析和对与神经组织相关的损伤标记物的评估。这些标记物可能包括中枢神经系统组织中的坏死神经元、神经突、星形胶质细胞和小神经胶质细胞，或周围神经系统的轴突、施万细胞和髓磷脂。建议申请人对特定损伤标记物的选取提供依据，并证明组织学试验方案对主要的不良反应检出的敏感性。关于组织病理学评估，建议对评价者设盲。

 

对于涉及施加电刺激的脑机接口设备，则应验证刺激的安全性，具体的试验方案与设备实际使用情况有关，可包括急性和长期刺激测试。急性刺激测试可在24h内对动物持续施加最大输出参数（动物可在镇静状态），试验结束后，对刺激靶点进行组织学评估。长期刺激测试可在刺激时长和频率上模拟临床最不利情况，建议验证最大输出参数，试验结束并移除植入设备后，可对周围组织进行组织病理学评估。

 

对于长期可植入设备，应评估其在体内长期植入的可靠性。对于涉及信号采集的设备，应在整个植入过程中使用定量指标（例如，信噪比和尖峰振幅）评价其有效性，还可记录体内电极的阻抗来评价设备的功能性。对于施加刺激的设备，也应测量阻抗来评价设备的功能性。试验结束并移除植入设备后，应使用显微镜观察设备组件（例如，电极导线、绝缘层、引线和连接器等），检查其损伤或其他故障模式。

 

指南对脑机接口设备临床研究设计的考虑因素以通用条款居多，本文选取几条笔者认为针对性强的内容以供借鉴。脑机接口设备的临床研究，建议在家庭环境中开展，如果该产品需要护理人员参与，建议在临床试验方案中明确受试者和护理人员需要接受的培训，并在临床试验中评估护理人员的表现（例如，所需时长、注意力和体力）。同一临床试验可能同时包括多个治疗组，例如脊髓损伤、中风或其他疾病，若存在这种情况，应说明合并统计的合理性。此外，建议对植入式脑机接口设备的临床研究至少随访1 年。

 

4.脑机接口设备监管的挑战与思考

 

植入式脑机接口设备的监管涉及多个层面、多个学科，虽然国家和各省市出台了一系列鼓励性政策和指导性文件，但监管的具体实施仍存在诸多挑战。

 

4.1“定制式”解码软件

 

信号处理软件是植入式脑机接口设备的关键组成部分，通过对脑信号进行解码实现对外部辅助操控装置的控制。目前部分植入式脑机接口设备厂商引入深度学习算法对脑信号进行解码，考虑到个体差异和植入部位与神经元位置关系的不确定性，厂商往往需要以用户为单位进行算法训练，这就导致最终用户获得的是“定制式”解码软件[16]。并且，如果植入后发生电极位移或电极失效，解码软件就存在“二次训练”的可能性。

 

4.2 伦理

 

大脑在人类身份认同、思想、情感和行为等多方面发挥关键作用，因此脑机接口设备，涉及的医疗应用伦理问题面临着前所未有的挑战。《新英格兰医学杂志》上刊登一篇文章，通过两个与植入式脑机接口设备相关的假设案例阐述了这一观点[22]。第一个案例涉及设备管理问题。P先生植入脑机接口设备3 年后，设备发生故障停止工作，然而生产商已经破产，无法获得需要更换的零件，患者体内只留下一个失效的植入物。植入式脑机接口设备移除的高风险和硬件不兼容等问题使得设备生产商无疑将承担更多的术后责任，而在政策法规方面，也应尽早讨论防范潜在风险的具体预案。

 

第二个案例涉及设备解码过程中泄露患者隐私的问题。如某患者对婚姻状况的想法被研究人员“读”到。脑数据的泄露不仅可能侵犯个人隐私，还有可能泄露商业机密甚至国家机密，因此对于脑数据的使用，国家层面应加强监管的立法工作。

 

近两年我国陆续出台了《精神疾病脑机接口研究伦理治理多学科专家共识》[23]《脑机接口研究伦理指引》等伦理相关文件，但由于人们对脑的认知不够全面，植入式脑机接口设备涉及的医疗应用伦理问题尚未被充分识别，随着临床研究的不断深入，新的伦理问题也会逐渐暴露，相关的管理文件也应适时修订。

 

5.小结

 

目前，国家器审中心尚未对脑机接口设备发布专用指导原则，在开展临床试验前申请人可参考《医疗器械产品受益- 风险判定技术指导原则（2023 修订版）》[24] 和《医疗器械安全和性能基本原则符合性技术指南（2022 年第29 号）》[25]对受试器械进行风险受益分析和安全性有效性确认。脑机接口设备的临床试验设计可参考已发布的《医疗器械临床试验设计指导原则》[26]，临床试验应按照《医疗器械临床试验质量管理规范》开展[27]。针对脑机接口等高端设备的受理前沟通交流，器审中心建立了审评前置工作机制，可将医疗器械技术审评重心向产品研发阶段前移。同时申请人还可利用创新绿色通道，与器审中心就重大技术问题、重大安全性问题、临床试验方案、阶段性临床试验结果的总结与评价等问题进行沟通交流。

来源：中国医疗器械信息

关键词： 脑机接口