腦機接口：原理與實踐

內容簡介

本書是根據《Brain-computer Interfaces:Principles and Practice》翻譯的。是一本關於腦-機接口原理、方法和實踐的專著。本書全面、系統、深入、具體地介紹了腦-機接口的基礎、原理、實現方法和套用。全書非常重視腦-機接口的基礎、原理和方法，著重指出了腦-機接口最重要的問題、信號採集問題、驗證和宣傳問題、可靠性問題；提付嚷跨笑出了腦-機接口六個重要的主題；詳細論述了腦-機接口的設計、實施和操作，包括從大腦內和從大腦外採集腦信號、腦-機接口信號處理、特徵提取和轉化、腦-機接口硬體和軟體、腦-機接口操作協定遙夜霸定及腦-機接口套用。此外，本書特別注重原理與實際套用的緊密結合，在上述共性原理和方法的基礎上，深入研究了現有的七種腦-機接口的具體原理和實現方法，分別是基於P300事件相關電位、基於感覺運動節律、基於SSVEP/慢變皮層電位、基於皮層腦電活動、利用運動皮質記錄的信號、利用在頂區或運動前期皮層記錄的信號、基於大腦代謝信號的腦-機接口，這些具體實例便於讀者更加深刻地理解和運用原理及方法。因此，本書非常適合高年級本科生和研究生學習腦-機接口的基礎、原理、實現方法並熟悉各種套用。同樣，本書對於工程師、研究人員以及技術管理人員學習腦-機接口的基礎、原理和實現方法也具有重要的參考價值。

作品目錄

第1篇諸論

第一章

第一章腦-機接口:陽光下的新事物請槓疊

1.1腦-機接口簡介3

1.2腦-機接口術語4

1.2.1腦-機接口術語的起源和定義4

1.2.2與腦-機接口同義或附屬的術語5

1.2.3與腦-機接口相關的神經技術6

1.3腦-機接口6個重要的主題6

1.3.1腦-機接口創建了本質上不同於自然輸出的新的中樞神經系統輸出6

1.3.2腦-機接口操作取決於兩個自適應控制器的互動8

1.3.3選擇信號類型和大腦區域8

1.3.4識別並避免偽跡9

1.3.5腦-機接口輸出命令：目標選擇或過程控制10

1.3.6有效性驗證和宣傳：有效的腦-機接口套用11

1.4小結12

第2篇用於BCI的腦信號

第2章

第2章在運動皮層和相關腦區的神經元活動

2.1引言16

2.2大腦解剖綜述17

2.2.1中樞神經系統方向的術語19

2.2.2大腦皮層結構19

2.2.3大腦新皮質的6層結構21

2.2.4皮層下區域22

2.2.5皮層傳出神經投射22

2.3大腦皮層的運動和感覺區域23

2.4大腦皮層區域和運動控制27

2.4.1時間維度：規劃與控制28

2.4.2編碼維度：抽象與具體的編碼30

2.4.3複雜性維度：複雜與簡單的運動34

2.4.4源維度：外部與內部運動引發35

2.4.5有視覺引導的抵達-抓握行為36

2.4.6運動控制的軀體感覺反饋37

2.5皮質下腦區39

2.5.1丘腦39

2.5.2腦幹39

2.5.3基底神經節40

2.6小腦40

2.6.1位置、組織和連線40

2.6.2小腦功能41

2.7動作電位（尖峰脈衝峰值）中的信息42

2.7.1放電率-編碼假設42

2.7.2時間-編碼假說43

2.8尖峰脈衝峰值記錄和處理43

2.8.1微電極43

2.8.2降噪和電極信號調理45

2.8.3動作/峰值電位分類46

2.9小結46

第3章

第3章腦產生的電磁場

3.1引言57

3.2電路中的電流和電位59

3.2.1電路中的歐姆定理59

3.2.2電流源與電壓源之間的等效59

3.2.3電路中的阻抗61

3.2.4電路中的線性疊加61

3.3組織容積導電的電流和電位62

3.3.1容積導電的歐姆定理62

3.3.2頭部電流分布63

3.3.3容積導電的頭模型64

3.4顱骨內電位記錄65

3.4.1不同尺度下的電位65

3.4.2單極電流源66

3.4.3偶極電流源67

3.4.4動作電位源68

3.4.5局部場電勢68

3.4.6皮層腦電位68

3.4.7顱骨內記錄69

3.4.8空間解析度比較69

3.5多尺度下的腦源69

3.5.1在大腦皮層腦回產生腦電69

3.5.2皮質源的多尺蒸樂汗度70

3.5.3細觀源強度為單位容積偶極矩71

3.6頭皮記錄的電位72

3.6.1所奔射有頭皮記錄是雙極性72

3.6.2參考電愉虹殃極73

3.7腦電的正向和逆向問題73

3.7.1正向問題73

3.7.2逆向問題75

3.8定量和高解析度的腦電75

3.8.1腦電的數學變換75

3.8.2傅立葉變換76

3.8.3腦電相位頸蜜拘同步和相干76

3.8.4瞬態和穩態誘發電位77

3.8.5高解析度腦電77

3.9大腦磁場78

3.10容積傳導和源動力學79

3.11小結80

第4章

第4章反映腦代謝活動的信號

4.1引言83

4.2功能神經成像學概述83

4.2.1解析度83

4.2.2血流成像技術84

4.2.3大腦活動的血流回響85

4.3四種主要的代謝神經成像方法86

4.3.1功能經顱都卜勒86

4.3.2正電子發射斷層掃描87

4.3.3功能近紅外光譜技術88

4.3.4功能磁共振成像91

4.4代謝神經成像的任務設計95

4.5功能近紅外光譜和功能磁共振成像套用於腦-機接口96

4.5.1基於功能近紅外光譜的腦-機接口96

4.5.2基於功能磁共振成像的腦-機接口97

4.6未來發展前景97

4.7小結98

第3篇腦-機接口的設計、實施和操作

第5章

第5章從大腦內採集腦信號

5.1引言102

5.2用於腦-機接口的植入微電極概述103

5.2.1微電極陣列的一般特性103

5.2.2微絲陣列105

5.2.3親神經（錐形）電極105

5.2.4基於MEMS的微電極106

5.3長期植入微電極神經記錄的基本概念108

5.3.1微電極如何記錄信號108

5.3.2長期神經記錄中神經信號保真度的影響因素110

5.3.3在長期記錄中引入噪聲的因素111

5.4皮層內微電極陣列長期記錄的性能112

5.4.1信號質量112

5.4.2陣列增益113

5.4.3信號穩定性113

5.4.4記錄壽命113

5.4.5整體性能114

5.5腦組織對皮質內微電極陣列的回響114

5.5.1植入式微電極陣列周圍的微觀環境114

5.5.2與微電極植入相關的局部組織損傷115

5.5.3慢性腦組織反應116

5.5.4組織回響隨時間變化的評估118

5.5.5組織反應對微電極性能的評估119

5.5.6其他重要問題119

5.5.7解決因組織反應而引起信號質量退化的方法120

5.6開發下一代皮層內腦-機接口的策略121

5.7未來展望123

5.8小結124

第6章

第6章從大腦外採集腦信號

6.1引言133

6.2腦電記錄133

6.2.1腦電電極133

6.2.2腦電記錄的雙極性135

6.2.3腦電電極布局135

6.2.4採樣頻率137

6.2.5避免、識別和消除非腦信號（偽跡）137

6.3腦磁記錄138

6.4腦電與腦磁在靈敏度和空間解析度方面的比較139

6.5腦電參考電極選擇141

6.5.1參考電極位置選擇141

6.5.2參考電極測試143

6.5.3間隔緊密的電極143

6.5.4耳垂相連參考和乳突相連參考145

6.5.5共同平均參考145

6.5.6基於模型的參考147

6.5.7平均參考和參考電極標準化技術比較148

6.5.8參考電極策略小結148

6.6腦電的空間採樣148

6.7高解析度腦電方法——表面拉普拉斯法151

6.8小結152

第7章

第7章腦-機接口信號處理：特徵提取

7.1引言155

7.2信號處理原理157

7.2.1模/數轉換157

7.2.2傅立葉分析159

7.2.3數字濾波160

7.3特徵提取的三個步驟162

7.3.1信號調理163

7.3.2提取特徵168

7.3.3特徵調理174

7.4從尖峰序列提取特徵175

7.4.1尖峰序列的結構176

7.4.2從尖峰時間提取特徵177

7.5小結182

第8章

第8章腦-機接口信號處理：特徵轉換

8.1引言185

8.2選擇模型186

8.2.1一般原則187

8.2.2常用模型190

8.3為模型選擇特徵195

8.4參數化模型196

8.5評估轉換算法198

8.5.1測量性能198

8.5.2黃金標準：線上評估201

8.5.3腦-機接口研究的重要部分：離線評估202

8.5.4評估轉換算法的特定方面203

8.5.5數據競賽205

8.6小結205

第9章

第9章腦-機接口的硬體和軟體

9.1引言209

9.2硬體210

9.2.1感測器210

9.2.2放大器215

9.2.3模/數轉換217

9.2.4偽跡220

9.2.5硬體接口220

9.2.6客戶機硬體222

9.2.7未來方向223

9.3軟體223

9.3.1腦-機接口實現的組件223

9.3.2研發腦-機接口軟體的設計原則224

9.3.3通用腦-機接口研究軟體概述225

9.4評估腦-機接口硬體和軟體227

9.4.1典型腦-機接口系統的時序特性227

9.4.2代表性結果230

9.5小結233

第10章

第10章腦-機接口操作協定

10.1引言239

10.2腦-機接口操作協定的關鍵要素239

10.2.1腦-機接口操作的啟動239

10.2.2參數化的特徵提取和轉換過程241

10.2.3腦-機接口的套用協定242

10.2.4處理轉換誤差243

10.3用戶訓練和系統測試操作協定244

10.4小結245

第11章

第11章腦-機接口套用

11.1引言248

11.2腦-機接口套用於輔助技術及其潛在的用戶248

11.2.1腦-機接口用於輔助技術248

11.2.2腦-機接口操作輔助技術的潛在用戶250

11.2.3面向用戶方法的重要性252

11.2.4無意激活的代價254

11.3控制方案：腦-機接口與套用相匹配255

11.3.1腦-機接口的命令到套用：目標選擇和過程控制255

11.3.2腦-機接口的指令轉換為套用的動作：直接與間接256

11.3.3套用操作：離散/連續257

11.4腦-機接口在輔助技術中當前和潛在的套用257

11.4.1用戶角度：腦-機接口套用能夠提供的功能258

11.4.2技術開發者角度：腦-機接口能夠控制的輔助技術套用類型259

11.5為腦-機接口控制選擇輔助技術套用262

11.5.1輔助技術專業人員的參與262

11.5.2目標用戶的參與262

11.6腦-機接口+輔助技術系統與獨立的腦-機接口/輔助技術系統263

11.6.1腦-機接口+輔助技術系統263

11.6.2獨立的腦-機接口/輔助技術系統264

11.7最最佳化腦-機接口控制的輔助技術性能265

11.8小結265

第4篇現有的腦-機接口

第12章

第12章利用P300事件相關電位的腦-機接口

12.1引言272

12.2P300事件相關電位和基於P300的腦-機接口272

12.3新奇刺激範式273

12.4P300的起源和功能275

12.5P300的波幅和穩定性275

12.6基於P300的腦-機接口276

12.6.1最初基於P300腦-機接口的研究276

12.6.2隨後基於P300腦-機接口研究的目標和局限性278

12.6.3可選的電極組合278

12.6.4可選的信號處理方法279

12.6.5可選的刺激和刺激呈現參數280

12.6.6基於P300的腦-機接口性能中注視方向的可能作用281

12.6.7基於P300的腦-機接口利用聽覺刺激282

12.6.8基於P300的腦-機接口性能提高的前景282

12.6.9基於P300腦-機接口的獨立家庭使用283

12.7小結284

第13章

第13章利用感覺運動節律的腦-機接口

13.1引言291

13.2感覺運動節律291

13.3感覺運動行為期間的感覺運動節律292

13.4運動想像期間的感覺運動節律294

13.5分析感覺運動皮層活動294

13.5.1頻率分析294

13.5.2空間分析295

13.6分析不同通道之間的關係296

13.7把感覺運動節律活動轉化為設備控制296

13.8線上和離線分析296

13.9偽跡297

13.10腦-機接口利用感覺運動節律299

13.11游標一維或多維運動299

13.12通信套用301

13.13控制套用301

13.14異步腦-機接口302

13.15基於感覺運動節律腦-機接口的潛在用戶303

13.16未來方向304

13.17小結304

第14章

第14章利用SSVEP的腦-機接口

14.1引言312

14.2穩態視覺誘發電位和基於穩態視覺誘發電位的腦-機接口312

14.2.1穩態視覺誘發電位和相關範式312

14.2.2早期類似穩態視覺誘發的腦-機接口314

14.2.3最近基於穩態視覺誘發電位腦-機接口的設計315

14.2.4基於穩態視覺誘發電位腦-機接口的重要問題316

14.2.5基於穩態視覺誘發電位腦-機接口未來的研究方向316

14.3慢變皮層電位和基於慢變皮層電位的腦-機接口317

14.3.1慢變皮層電位317

14.3.2基於慢變皮層電位的腦-機接口318

14.3.3基於慢變皮層電位腦-機接口未來可能的用途319

14.4小結320

第15章

第15章利用ECoG活動的腦-機接口

15.1引言325

15.2皮層腦電探測的電生理特徵328

15.3基於皮層腦電的腦-機接口331

15.3.1皮層腦電信號的採集332

15.3.2基於皮層腦電的腦-機接口協定設計332

15.3.3基於皮層腦電的腦-機接口控制333

15.4局限性335

15.5有待進一步研究的重要問題和領域336

15.6小結338

第16章

第16章利用運動皮層記錄信號的腦-機接口

16.1引言346

16.2皮層內腦-機接口系統（iBCI）的研發目標347

16.3從小規模神經元群獲得複雜控制347

16.4對癱瘓患者功能恢復有用的動作347

16.5皮層內腦-機接口與皮層外腦機接口相比的可能優勢348

16.5.1安全性348

16.5.2可靠性349

16.6皮層內腦-機接口可利用的信號和記錄它們的感測器349

16.6.1皮層內腦-機接口的關鍵特徵349

16.6.2皮層內腦-機接口記錄的信號351

16.7皮層內腦-機接口感測器的類型355

16.7.1多電極陣列（或平台陣列或猶他陣列）356

16.7.2多位點電極（又稱柄電極或密西根電極）357

16.7.3微絲（線）陣列357

16.7.4錐形電極（或神經營養電極）357

16.8皮層內腦-機接口研究357

16.8.1選擇要植入的皮層區357

16.8.2迄今為止對非人類和人類靈長類動物的皮層內腦-機接口研究358

16.8.3對體格健全猴子的皮層內腦-機接口研究358

16.8.4對癱瘓猴子的皮層內腦-機接口研究359

16.8.5對癱瘓患者的皮層內腦-機接口研究359

16.9皮層內腦-機接口的長期性能360

16.10長期記錄問題及影響記錄穩定性的因素363

16.10.1長期記錄問題363

16.10.2影響記錄穩定性的因素363

16.11解碼皮層內腦-機接口記錄的神經元尖峰脈衝365

16.11.1開環和閉環解碼367

16.11.2連續和離散解碼367

16.12皮層內腦-機接口的通信和控制套用368

16.13皮層內腦-機接口的用戶群369

16.14為實現皮層內腦-機接口實用於長期的人類使用所需要的進展370

16.14.1完全可植入的、安全和生物相容的系統370

16.14.2易用性（容易使用）371

16.14.3信號的穩定性和算法的自適應性372

16.14.4增強的感覺反饋372

16.15皮層內腦-機接口的其他潛在套用372

16.16小結373

第17章

第17章利用在頂區或運動前區皮層記錄信號的腦-機接口

17.1引言380

17.2解剖學結構380

17.3動作規劃381

17.3.1眼動和到達381

17.3.2抓握384

17.4動作解碼386

17.4.1到達解碼386

17.4.2抓握解碼387

17.4.3快速解碼388

17.5由局部場電位解碼389

17.6展望391

第18章

第18章採用大腦代謝信號的腦-機接口

18.1引言394

18.2基於功能近紅外光譜的腦-機接口（BCI）394

18.2.1功能近紅外光譜方法（fNIRS）的原理394

18.2.2功能近紅外光譜腦-機接口的結構和操作396

18.2.3迄今功能近紅外光譜腦-機接口的實現401

18.2.4功能近紅外光譜腦-機接口系統的前景402

18.3基於功能核磁共振成像的腦-機接口403

18.3.1功能核磁共振成像的原理和實踐403

18.3.2基於功能核磁共振成像腦-機接口的結構和操作404

18.3.3迄今功能核磁共振成像腦-機接口的套用408

18.3.4功能核磁共振成像腦-機接口系統的前景409

18.4小結409

第5篇使用腦-機接口

第19章

第19章 BCI用戶和他們的需求

19.1引言414

19.2恢復因受傷或疾病而喪失的功能414

19.2.1交流受損414

19.2.2移動性受損415

19.2.3自主神經功能受損418

19.3腦-機接口用於中風患者的康復418

19.4其他潛在的腦-機接口用戶419

19.4.1癲癇患者419

19.4.2具有認知、情緒或其他障礙的患者419

19.5腦-機接口用戶的願望/需求列表419

19.6小結420

參考文獻421

第20章

第20章 BCI的臨床評價

20.1引言423

20.2能以適合於長期獨立使用的形式來實現BCI設計嗎？423

20.3需要BCI系統的人是誰？他們會使用它嗎？425

20.3.1定義未來BCI家庭用戶的人群425

20.3.2為腦-機接口的家用研究招募參與者426

20.3.3獲得知情同意427

20.3.4確定潛在的研究被試是否能夠使用BCI427

20.4家庭環境能夠支持BCI使用嗎？實際使用腦-機接口了嗎？428

20.4.1評估環境與護理人員428

20.4.2啟動和評估BCI的家庭使用428

20.5BCI改善用戶的生活了嗎？433

20.6BCI轉化研究面臨的困難挑戰434

20.7未來的改進將推動BCI臨床轉化435

20.8小結435

參考文獻436

第21章

第21章傳播：讓需要BCI的人得到它們

21.1引言441

21.2設計考慮——我們有一個產品嗎？441

21.2.1科學研究與工程發展441

21.2.2設計控制442

21.2.3風險管理443

21.3監管方面的考慮——允許我們銷售自己的產品嗎？444

21.3.1產品分類與監管策略445

21.3.2美國食品和藥物管理局提交報告的兩條路線446

21.3.3歐盟和日本的審批447

21.4尋求BCI的審批——在美國的審批447

21.5實驗室原型、罕見疾病治療產品和定製設備審批的可選途徑448

21.5.1實驗室原型448

21.5.2罕見疾病治療產品448

21.5.3定製設備450

21.6償付考慮——會有人願意為我們的產品支付費用嗎？451

21.6.1償付策略的要素451

21.6.2保險公司合作453

21.6.3全球行銷453

21.7金融挑戰——這種努力可持續嗎？453

21.7.1資助初創公司：風險投資與天使投資人453

21.8傳播和支持BCI的可能替代方案456

21.9趨勢和結論457

參考文獻457

第22章

第22章 BCI用於治療以改善大腦功能

22.1引言459

22.2基於BCI的反饋作為一種可能的治療手段459

22.3基於EEG的BCI用於治療460

22.3.1減少癲癇發作頻率460

22.3.2治療注意缺陷障礙並改善認知加工461

22.3.3改善運動功能的恢復462

22.4基於fMRI的BCI用於治療467

22.4.1改善情緒加工與控制467

22.4.2改善運動功能的恢復470

22.4.3疼痛管理470

22.4.4基於fMRI的BCI未來的工作470

22.5小結471

參考文獻471

第23章

第23章 BCI套用於一般人群

23.1引言477

23.2最佳化常規的性能477

23.2.1注意力478

23.2.2工作負荷480

23.2.3情緒481

23.3提高常規性能482

23.3.1目標檢測482

23.3.2其他可能的基於BCI的行為性能增強483

23.4拓展或豐富生活體驗483

23.4.1與媒體相關的活動483

23.4.2藝術的表達484

23.4.3遊戲485

23.5小結487

參考文獻487

第24章

第24章 BCI研究中的倫理問題

24.1引言492

24.2幫助殘疾人的BCI研究492

24.2.1行善：做有益的事，不做有害的事492

24.2.2尊重人：知情同意499

24.2.3公正：回應訴求、報告研究結果並促進廣泛傳播500

24.3用於一般人群的BCI研究502

24.4小結503

參考文獻504

第6篇結論

第25章

第25章 BCI的未來：滿足期望

25.1引言508

25.2承諾508

25.3最重要的問題509

25.4信號採集硬體509

25.4.1非侵入性（無創）的BCI509

25.4.2植入式（侵入性或有創）的BCI510

25.5驗證和傳播510

25.5.1比較不同的信號和方法510

25.5.2聚焦臨床的價值511

25.5.3傳播的問題511

25.6可靠性512

25.6.1適應性（自適應性）512

25.6.2控制的分布513

25.6.3來自多個腦區的信號以及額外的感覺輸入514

25.7小結515

腦機接口：原理與實踐

基本介紹

內容簡介

作品目錄

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