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第1篇 诸论2

第1章 脑-机接口：阳光下的新事物2

1.1 脑-机接口简介3

1.2 脑-机接口术语4

1.2.1 脑-机接口术语的起源和目前的定义4

1.2.2 与脑-机接口同义或附属的术语5

1.2.3 与脑-机接口相关的神经技术6

1.3 脑-机接口6个重要的主题6

1.3.1 脑-机接口创建了本质上不同于自然输出的新的中枢神经系统输出6

1.3.2 脑-机接口操作取决于两个自适应控制器的交互8

1.3.3 选择信号类型和大脑区域8

1.3.4 识别并避免伪迹9

1.3.5 脑-机接口输出命令：目标选择或过程控制10

1.3.6 有效性验证和宣传：有效的脑-机接口应用11

1.4 小结12

参考文献12

第2篇 用于脑-机接口的脑信号16

第2章 在运动皮层和相关脑区的神经元活动16

2.1 引言16

2.2 大脑解剖综述17

2.2.1 中枢神经系统方向的术语19

2.2.2 大脑皮层结构19

2.2.3 大脑新皮质的6层结构21

2.2.4 皮层下区域22

2.2.5 皮层传出神经投射22

2.3 大脑皮层的运动和感觉区域23

2.4 大脑皮层区域和运动控制27

2.4.1 时间维度：规划与控制28

2.4.2 编码维度：抽象与具体的编码30

2.4.3 复杂性维度：复杂与简单的运动34

2.4.4 源维度：外部与内部运动引发35

2.4.5 有视觉引导的抵达-抓握行为36

2.4.6 运动控制的躯体感觉反馈37

2.5 皮质下脑区39

2.5.1 丘脑39

2.5.2 脑干39

2.5.3 基底神经节40

2.6 小脑40

2.6.1 位置、组织和连接40

2.6.2 小脑功能41

2.7 动作电位（尖峰脉冲峰值）中的信息42

2.7.1 放电率-编码假设42

2.7.2 时间-编码假说43

2.8 尖峰脉冲峰值记录和处理43

2.8.1 微电极43

2.8.2 降噪和电极信号调理45

2.8.3 动作／峰值电位分类46

2.9 小结46

参考文献47

第3章 脑产生的电磁场57

3.1 引言57

3.2 电路中的电流和电位59

3.2.1 电路中的欧姆定理59

3.2.2 电流源与电压源之间的等效59

3.2.3 电路中的阻抗61

3.2.4 电路中的线性叠加61

3.3 组织容积导电的电流和电位62

3.3.1 容积导电的欧姆定理62

3.3.2 头部电流分布63

3.3.3 容积导电的头模型64

3.4 颅骨内电位记录65

3.4.1 不同尺度下的电位65

3.4.2 单极电流源66

3.4.3 偶极电流源67

3.4.4 动作电位源68

3.4.5 局部场电势68

3.4.6 皮层脑电位68

3.4.7 颅骨内记录69

3.4.8 空间分辨率比较69

3.5 多尺度下的脑源69

3.5.1 在大脑皮层脑回产生脑电69

3.5.2 皮质源的多尺度70

3.5.3 细观源强度为单位容积偶极矩71

3.6 头皮记录的电位72

3.6.1 所有头皮记录是双极性72

3.6.2 参考电极73

3.7 脑电的正向和逆向问题73

3.7.1 正向问题73

3.7.2 逆向问题75

3.8 定量和高分辨率的脑电75

3.8.1 脑电的数学变换75

3.8.2 傅里叶变换76

3.8.3 脑电相位同步和相干76

3.8.4 瞬态和稳态诱发电位77

3.8.5 高分辨率脑电77

3.9 大脑磁场78

3.10 容积传导和源动力学79

3.11 小结80

参考文献81

第4章 反映脑代谢活动的信号83

4.1 引言83

4.2 功能神经成像学概述83

4.2.1 分辨率83

4.2.2 血流成像技术84

4.2.3 大脑活动的血流响应85

4.3 四种主要的代谢神经成像方法86

4.3.1 功能经颅多普勒86

4.3.2 正电子发射断层扫描87

4.3.3 功能近红外光谱技术88

4.3.4 功能磁共振成像91

4.4 代谢神经成像的任务设计95

4.5 功能近红外光谱和功能磁共振成像应用于脑-机接口96

4.5.1 基于功能近红外光谱的脑-机接口96

4.5.2 基于功能磁共振成像的脑-机接口97

4.6 未来发展前景97

4.7 小结98

参考文献98

第3篇 脑-机接口的设计、实施和操作102

第5章 从大脑内采集脑信号102

5.1 引言102

5.2 用于脑-机接口的植入微电极概述103

5.2.1 微电极阵列的一般特性103

5.2.2 微丝阵列105

5.2.3 亲神经（锥形）电极105

5.2.4 基于MEMS的微电极106

5.3 长期植入微电极神经记录的基本概念108

5.3.1 微电极如何记录信号108

5.3.2 长期神经记录中神经信号保真度的影响因素110

5.3.3 在长期记录中引入噪声的因素111

5.4 皮层内微电极阵列长期记录的性能112

5.4.1 信号质量112

5.4.2 阵列增益113

5.4.3 信号稳定性113

5.4.4 记录寿命113

5.4.5 整体性能114

5.5 脑组织对皮质内微电极阵列的响应114

5.5.1 植入式微电极阵列周围的微观环境114

5.5.2 与微电极植入相关的局部组织损伤115

5.5.3 慢性脑组织反应116

5.5.4 组织响应随时间变化的评估118

5.5.5 组织反应对微电极性能的评估119

5.5.6 其他重要问题119

5.5.7 解决因组织反应而引起信号质量退化的方法120

5.6 开发下一代皮层内脑-机接口的策略121

5.7 未来展望123

5.8 小结124

参考文献124

第6章 从大脑外采集脑信号133

6.1 引言133

6.2 脑电记录133

6.2.1 脑电电极133

6.2.2 脑电记录的双极性135

6.2.3 脑电电极布局135

6.2.4 采样频率137

6.2.5 避免、识别和消除非脑信号（伪迹）137

6.3 脑磁记录138

6.4 脑电与脑磁在灵敏度和空间分辨率方面的比较139

6.5 脑电参考电极选择141

6.5.1 参考电极位置选择141

6.5.2 参考电极测试143

6.5.3 间隔紧密的电极143

6.5.4 耳垂相连参考和乳突相连参考145

6.5.5 共同平均参考145

6.5.6 基于模型的参考147

6.5.7 平均参考和参考电极标准化技术比较148

6.5.8 参考电极策略小结148

6.6 脑电的空间采样148

6.7 高分辨率脑电方法——表面拉普拉斯法151

6.8 小结152

参考文献152

第7章 脑-机接口信号处理：特征提取155

7.1 引言155

7.2 信号处理原理157

7.2.1 模／数转换157

7.2.2 傅里叶分析159

7.2.3 数字滤波160

7.3 特征提取的三个步骤162

7.3.1 信号调理163

7.3.2 提取特征168

7.3.3 特征调理174

7.4 从尖峰序列提取特征175

7.4.1 尖峰序列的结构176

7.4.2 从尖峰时间提取特征177

7.5 小结182

参考文献183

第8章 脑-机接口信号处理：特征转换185

8.1 引言185

8.2 选择模型186

8.2.1 一般原则187

8.2.2 常用模型190

8.3 为模型选择特征195

8.4 参数化模型196

8.5 评估转换算法198

8.5.1 测量性能198

8.5.2 黄金标准：在线评估201

8.5.3 脑-机接口研究的重要部分：离线评估202

8.5.4 评估转换算法的特定方面203

8.5.5 数据竞赛205

8.6 小结205

参考文献206

第9章 脑-机接口的硬件和软件209

9.1 引言209

9.2 硬件210

9.2.1 传感器210

9.2.2 放大器215

9.2.3 模／数转换217

9.2.4 伪迹220

9.2.5 硬件接口220

9.2.6 客户机硬件222

9.2.7 未来方向223

9.3 软件223

9.3.1 脑-机接口实现的组件223

9.3.2 研发脑-机接口软件的设计原则224

9.3.3 通用脑-机接口研究软件概述225

9.4 评估脑-机接口硬件和软件227

9.4.1 典型脑-机接口系统的时序特性227

9.4.2 代表性结果230

9.5 小结233

参考文献234

第10章 脑-机接口操作协议239

10.1 引言239

10.2 脑-机接口操作协议的关键要素239

10.2.1 脑-机接口操作的启动239

10.2.2 参数化的特征提取和转换过程241

10.2.3 脑-机接口的应用协议242

10.2.4 处理转换误差243

10.3 用户训练和系统测试操作协议244

10.4 小结245

参考文献246

第11章 脑-机接口应用248

11.1 引言248

11.2 脑-机接口应用于辅助技术及其潜在的用户248

11.2.1 脑-机接口用于辅助技术248

11.2.2 脑-机接口操作辅助技术的潜在用户250

11.2.3 面向用户方法的重要性252

11.2.4 无意激活的代价254

11.3 控制方案：脑-机接口与应用相匹配255

11.3.1 脑-机接口的命令到应用：目标选择和过程控制255

11.3.2 脑-机接口的指令转换为应用的动作：直接与间接256

11.3.3 应用操作：离散／连续257

11.4 脑-机接口在辅助技术中当前和潜在的应用257

11.4.1 用户角度：脑-机接口应用能够提供的功能258

11.4.2 技术开发者角度：脑-机接口能够控制的辅助技术应用类型259

11.5 为脑-机接口控制选择辅助技术应用262

11.5.1 辅助技术专业人员的参与262

11.5.2 目标用户的参与262

11.6 脑-机接口＋辅助技术系统与独立的脑-机接口／辅助技术系统263

11.6.1 脑-机接口＋辅助技术系统263

11.6.2 独立的脑-机接口／辅助技术系统264

11.7 最优化脑-机接口控制的辅助技术性能265

11.8 小结265

参考文献266

第4篇 现有的脑-机接口272

第12章 利用P300事件相关电位的脑-机接口272

12.1 引言272

12.2 P300事件相关电位和基于P300的脑-机接口272

12.3 新奇刺激范式273

12.4 P300的起源和功能275

12.5 P300的波幅和稳定性275

12.6 基于P300的脑-机接口276

12.6.1 最初基于P300脑-机接口的研究276

12.6.2 随后基于P300脑-机接口研究的目标和局限性278

12.6.3 可选的电极组合278

12.6.4 可选的信号处理方法279

12.6.5 可选的刺激和刺激呈现参数280

12.6.6 基于P300的脑-机接口性能中注视方向的可能作用281

12.6.7 基于P300的脑-机接口利用听觉刺激282

12.6.8 基于P300的脑-机接口性能提高的前景282

12.6.9 基于P300脑-机接口的独立家庭使用283

12.7 小结284

参考文献284

第13章 利用感觉运动节律的脑-机接口291

13.1 引言291

13.2 感觉运动节律291

13.3 感觉运动行为期间的感觉运动节律292

13.4 运动想象期间的感觉运动节律294

13.5 分析感觉运动皮层活动294

13.5.1 频率分析294

13.5.2 空间分析295

13.6 分析不同通道之间的关系296

13.7 把感觉运动节律活动转化为设备控制296

13.8 在线和离线分析296

13.9 伪迹297

13.10 脑-机接口利用感觉运动节律299

13.11 光标一维或多维运动299

13.12 通信应用301

13.13 控制应用301

13.14 异步脑-机接口302

13.15 基于感觉运动节律脑-机接口的潜在用户303

13.16 未来方向304

13.17 小结304

参考文献305

第14章 利用稳态视觉诱发电位或慢变皮层电位的脑-机接口（BCI）312

14.1 引言312

14.2 稳态视觉诱发电位和基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口312

14.2.1 稳态视觉诱发电位和相关范式312

14.2.2 早期类似稳态视觉诱发的脑-机接口314

14.2.3 最近基于稳态视觉诱发电位脑-机接口的设计315

14.2.4 基于稳态视觉诱发电位脑-机接口的重要问题316

14.2.5 基于稳态视觉诱发电位脑-机接口未来的研究方向316

14.3 慢变皮层电位和基于慢变皮层电位的脑-机接口317

14.3.1 慢变皮层电位317

14.3.2 基于慢变皮层电位的脑-机接口318

14.3.3 基于慢变皮层电位脑-机接口未来可能的用途319

14.4 小结320

参考文献320

第15章 利用皮层脑电（ECoG）活动的脑-机接口（BCI）325

15.1 引言325

15.2 皮层脑电探测的电生理特征328

15.3 目前基于皮层脑电的脑-机接口331

15.3.1 皮层脑电信号的采集332

15.3.2 基于皮层脑电的脑-机接口协议设计332

15.3.3 基于皮层脑电的脑-机接口控制333

15.4 局限性335

15.5 有待进一步研究的重要问题和领域336

15.6 小结338

参考文献339

第16章 利用在运动皮层记录信号的脑-机接口（BCI）346

16.1 引言346

16.2 皮层内脑-机接口系统（iBCI）的研发目标347

16.3 从小规模神经元群获得复杂控制347

16.4 对瘫痪患者功能恢复有用的动作347

16.5 皮层内脑-机接口与皮层外脑-机接口相比的可能优势348

16.5.1 安全性348

16.5.2 可靠性349

16.6 皮层内脑-机接口可利用的信号和记录它们的传感器349

16.6.1 皮层内脑-机接口的关键特征349

16.6.2 皮层内脑-机接口记录的信号351

16.7 皮层内脑-机接口传感器的类型355

16.7.1 多电极阵列（或平台阵列或犹他阵列）356

16.7.2 多位点电极（又称柄电极或密歇根电极）357

16.7.3 微丝（线）阵列357

16.7.4 锥形电极（或神经营养电极）357

16.8 皮层内脑-机接口研究357

16.8.1 选择要植入的皮层区357

16.8.2 迄今为止对非人类和人类灵长类动物的皮层内脑-机接口研究358

16.8.3 对体格健全猴子的皮层内脑-机接口研究358

16.8.4 对瘫痪猴子的皮层内脑-机接口研究359

16.8.5 对瘫痪患者的皮层内脑-机接口研究359

16.9 皮层内脑-机接口的长期性能360

16.10 长期记录问题及影响记录稳定性的因素363

16.10.1 长期记录问题363

16.10.2 影响记录稳定性的因素363

16.11 解码皮层内脑-机接口记录的神经元尖峰脉冲365

16.11.1 开环和闭环解码367

16.11.2 连续和离散解码367

16.12 皮层内脑-机接口的通信和控制应用368

16.13 皮层内脑-机接口的用户群369

16.14 为实现皮层内脑-机接口实用于长期的人类使用所需要的进展370

16.14.1 完全可植入的、安全和生物相容的系统370

16.14.2 易用性（容易使用）371

16.14.3 信号的稳定性和算法的自适应性372

16.14.4 增强的感觉反馈372

16.15 皮层内脑-机接口的其他潜在应用372

16.16 小结373

参考文献374

第17章 利用在顶区或运动前区皮层记录信号的脑-机接口（BCI）380

17.1 引言380

17.2 解剖学结构380

17.3 动作规划381

17.3.1 眼动和到达381

17.3.2 抓握384

17.4 动作解码386

17.4.1 到达解码386

17.4.2 抓握解码387

17.4.3 快速解码388

17.5 由局部场电位解码389

17.6 展望391

参考文献392

第18章 采用大脑代谢信号的脑-机接口（BCI）394

18.1 引言394

18.2 基于功能近红外光谱的脑-机接口（BCI）394

18.2.1 功能近红外光谱方法（fNIRS）的原理394

18.2.2 功能近红外光谱脑-机接口的结构和操作396

18.2.3 迄今功能近红外光谱脑-机接口的实现401

18.2.4 功能近红外光谱脑-机接口系统的前景402

18.3 基于功能核磁共振成像的脑-机接口403

18.3.1 功能核磁共振成像的原理和实践403

18.3.2 基于功能核磁共振成像脑-机接口的结构和操作404

18.3.3 迄今功能核磁共振成像脑-机接口的应用408

18.3.4 功能核磁共振成像脑-机接口系统的前景409

18.4 小结409

参考文献410

第5篇 使用脑-机接口414

第19章 BCI用户和他们的需求414

19.1 引言414

19.2 恢复因受伤或疾病而丧失的功能414

19.2.1 交流受损414

19.2.2 移动性受损415

19.2.3 自主神经功能受损418

19.3 脑-机接口用于中风患者的康复418

19.4 其他潜在的脑-机接口用户419

19.4.1 癫痫患者419

19.4.2 具有认知、情绪或其他障碍的患者419

19.5 脑-机接口用户的愿望／需求列表419

19.6 小结420

参考文献421

第20章 BCI的临床评价423

20.1 引言423

20.2 能以适合于长期独立使用的形式来实现BCI设计吗？423

20.3 需要BCI系统的人是谁？他们会使用它吗？425

20.3.1 定义未来BCI家庭用户的人群425

20.3.2 为脑-机接口的家用研究招募参与者426

20.3.3 获得知情同意427

20.3.4 确定潜在的研究被试是否能够使用BCI427

20.4 家庭环境能够支持BCI使用吗？实际使用脑-机接口了吗？428

20.4.1 评估环境与护理人员428

20.4.2 启动和评估BCI的家庭使用428

20.5 BCI改善用户的生活了吗？433

20.6 BCI转化研究面临的困难挑战434

20.7 未来的改进将推动BCI临床转化435

20.8 小结435

参考文献436

第21章 传播：让需要BCI的人得到它们441

21.1 引言441

21.2 设计考虑——我们有一个产品吗？441

21.2.1 科学研究与工程发展441

21.2.2 设计控制442

21.2.3 风险管理443

21.3 监管方面的考虑——允许我们销售自己的产品吗？444

21.3.1 产品分类与监管策略445

21.3.2 美国食品和药物管理局提交报告的两条路线446

21.3.3 欧盟和日本的审批447

21.4 寻求BCI的审批——在美国的审批447

21.5 实验室原型、罕见疾病治疗产品和定制设备审批的可选途径448

21.5.1 实验室原型448

21.5.2 罕见疾病治疗产品448

21.5.3 定制设备450

21.6 偿付考虑——会有人愿意为我们的产品支付费用吗？451

21.6.1 偿付策略的要素451

21.6.2 保险公司合作453

21.6.3 全球营销453

21.7 金融挑战——这种努力可持续吗？453

21.7.1 资助初创公司：风险投资与天使投资人453

21.8 传播和支持BCI的可能替代方案456

21.9 趋势和结论457

参考文献457

第22章 BCI用于治疗以改善大脑功能459

22.1 引言459

22.2 基于BCI的反馈作为一种可能的治疗手段459

22.3 基于EEG的BCI用于治疗460

22.3.1 减少癫痫发作频率460

22.3.2 治疗注意缺陷障碍并改善认知加工461

22.3.3 改善运动功能的恢复462

22.4 基于fMRI的BCI用于治疗467

22.4.1 改善情绪加工与控制467

22.4.2 改善运动功能的恢复470

22.4.3 疼痛管理470

22.4.4 基于fMRI的BCI未来的工作470

22.5 小结471

参考文献471

第23章 BCI应用于一般人群477

23.1 引言477

23.2 优化常规的性能477

23.2.1 注意力478

23.2.2 工作负荷480

23.2.3 情绪481

23.3 提高常规性能482

23.3.1 目标检测482

23.3.2 其他可能的基于BCI的行为性能增强483

23.4 拓展或丰富生活体验483

23.4.1 与媒体相关的活动483

23.4.2 艺术的表达484

23.4.3 游戏485

23.5 小结487

参考文献487

第24章 BCI研究中的伦理问题492

24.1 引言492

24.2 帮助残疾人的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：回应诉求、报告研究结果并促进广泛传播500

24.3 用于一般人群的BCI研究502

24.4 小结503

参考文献504

第6篇 结论508

第25章 BCI的未来：满足期望508

25.1 引言508

25.2 承诺508

25.3 最重要的问题509

25.4 信号采集硬件509

25.4.1 非侵入性（无创）的BCI509

25.4.2 植入式（侵入性或有创）的BCI510

25.5 验证和传播510

25.5.1 比较不同的信号和方法510

25.5.2 聚焦临床的价值511

25.5.3 传播的问题511

25.6 可靠性512

25.6.1 适应性（自适应性）512

25.6.2 控制的分布513

25.6.3 来自多个脑区的信号以及额外的感觉输入514

25.7 小结515