第1篇 諸論
第一章
第一章 腦-機接口:陽光下的新事物
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
參考文獻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
參考文獻47
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所有頭皮記錄是雙極性72
3.6.2參考電極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
參考文獻81
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
參考文獻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
參考文獻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
參考文獻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
參 考 文 獻183
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
參考文獻206
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
參考文獻234
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
參考文獻246
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
參考文獻266
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
參考文獻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
參考文獻305
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
參考文獻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
參考文獻339
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
參考文獻374
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
參考文獻392
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
參考文獻41
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
