基于想象的脑机交互原理与实践电子书

内容简介

前言

致谢

本书贡献

第1篇 脑机交互（BCI）的一些共性内容

第1章 BCI重要内容：BCI相关术语

1.1 BCI直接相关术语

1.1.1 脑-机器接口（BMI）

1.1.2 脑-计算机交互（BCI）

1.1.3 脑机融合

1.1.4 大脑（Brain）或中枢神经系统（CNS）

1.1.5 计算机

1.1.6 BCI用户

1.1.7 脑信号采集

1.1.8 BCI范式

1.1.9 BCI神经编码

1.1.10 BCI神经解码

1.1.11 神经反馈（NF）

1.1.12 感觉运动假说

1.1.13 BCI跨学科性

1.1.14 BCI系统中的两个自适应控制器（CNS和BCI）

1.2 BCI紧密相关术语

1.2.1 感觉运动节律脑机接口（SMR-BCI）相关术语

1.2.2 运动想象脑机接口（MI-BCI）相关术语

1.2.3 基于认知的脑机接口相关术语

1.2.4 P300脑机接口（P300-BCI）相关术语

1.2.5 稳态视觉诱发电位脑机接口（SSVEP-BCI）相关术语

1.2.6 稳态听觉诱发电位脑机接口（SSAEP-BCI）相关术语

1.2.7 稳态触觉诱发电位脑机接口（SSTEP-BCI）相关术语

1.2.8 依赖性BCI（Dependent BCI）

1.2.9 独立性BCI（Independent BCI）

1.2.10 混合脑机接口（Hybrid BCI）

1.2.11 同步/异步脑机接口（Synchronous/Asynchronous BCI）

1.2.12 分布式脑机接口（Distributed BCI）

1.3 BCI用户相关术语

1.3.1 BCI受试者（Subject）

1.3.2 严重运动功能障碍（Severe Motor Impairments）

1.3.3 BCI人因工程相关

1.3.4 BCI可用性（BCI Usability）

1.3.5 BCI用户评价

1.3.6 BCI使用情况

1.3.7 个性化BCI

1.3.8 BCI医学

1.3.9 BCI医学目标

1.3.10 BCI伦理

1.3.11 BCI转化医学

1.4 实用BCI相关术语

1.4.1 BCI临床验证

1.4.2 BCI临床评估

1.4.3 BCI临床推广

1.4.4 BCI替代功效

1.4.5 BCI恢复功效

1.4.6 BCI增强功效

1.4.7 BCI补充功效

1.4.8 BCI改善功效

1.4.9 BCI系统稳定性

1.4.10 BCI系统准确性

1.4.11 BCI系统快速性

1.4.12 BCI系统可靠性

1.4.13 BCI系统安全性

1.4.14 BCI系统易用性

1.4.15 BCI标准化

1.4.16 BCI产业转化

1.4.17 假冒伪劣BCI产品

1.5 用于BCI的脑神经电磁信号记录的相关术语

1.5.1 脑信号时间分辨率

1.5.2 脑信号空间分辨率

1.5.3 脑信号伪迹

1.5.4 脑信号信噪比

1.5.5 脑信号灵敏度

1.5.6 脑神经元电磁信号

1.5.7 头皮脑电（EEG）

1.5.8 皮层脑电（ECoG）

1.5.9 ECoG网格

1.5.10 微电极阵列（MEA）

1.5.11 神经元发放（NF）

1.5.12 尖峰（Spikes）

1.5.13 局部场电位（LFP）

1.5.14 脑信号功率谱

1.5.15 脑磁（MEG）

1.6 用于BCI的脑组织血氧水平记录的相关术语

1.6.1 脑组织代谢血氧水平信号

1.6.2 神经血管耦合

1.6.3 功能磁共振成像（fMRI）

1.6.4 功能性近红外光谱（fNIRS）

1.7 BCI相关脑结构与功能术语

1.7.1 静息态（RS）

1.7.2 任务态（TS）

1.7.3 大脑共同的解剖参考框架（CARF）

1.7.4 大脑分区表（Brain Atlas）

1.7.5 脑结构连接性（SC）

1.7.6 脑功能连接性（FC）

1.7.7 脑图谱

1.7.8 脑结构图谱

1.7.9 脑功能图谱

1.7.10 运动皮层

1.7.11 脑干运动神经元

1.7.12 脊髓运动神经元

1.7.13 体感皮层

1.7.14 视觉皮层

1.7.15 听觉皮层

1.7.16 视觉反馈（VF）

1.7.17 听觉反馈（AF）

1.7.18 体感反馈（SF）

1.7.19 触觉反馈（HF）

1.8 与BCI相关的其他术语

1.8.1 中枢神经系统（CNS）自然/正常的输入输出

1.8.2 中枢神经系统（CNS）人工的输入输出

1.8.3 BCI解决方案

1.8.4 非BCI解决方案

1.8.5 脑控技术

1.8.6 脑控机器人技术

1.8.7 共享控制策略

1.8.8 脑机协作策略

1.8.9 神经可塑性

1.8.10 自适应神经技术

1.8.11 神经调控

1.8.12 神经刺激

1.8.13 基于肌电的肌机接口相关术语

1.8.14 基于眼电或眼动跟踪的眼机接口相关术语

1.9 总结

参考文献

第2章 BCI范式与神经编码

2.1 引言

2.2 BCI范式的定义和设计原则

2.2.1 BCI范式的定义

2.2.2 BCI范式的设计原则

2.3 BCI神经编码的定义和建模原则

2.3.1 BCI神经编码的定义

2.3.2 BCI神经编码的建模原则

2.3.3 BCI神经编码与BCI范式、BCI神经解码的关系

2.3.4 BCI神经编码与脑神经编码及计算机信息编码的关系

2.3.5 BCI频率/速率编码

2.3.6 BCI时间编码

2.3.7 BCI相位编码

2.3.8 BCI神经元群编码

2.3.9 BCI相关性编码

2.3.10 BCI稀疏编码

2.3.11 BCI混合编码

2.4 现有主要的BCI范式与神经编码

2.4.1 皮质内LFP-BCI范式与神经编码

2.4.2 ECoG-BCI范式与神经编码

2.4.3 fMRI-BCI范式与神经编码

2.4.4 fNIRS-BCI范式与神经编码

2.4.5 MEG-BCI范式与神经编码

2.4.6 EEG-BCI范式与神经编码

2.4.7 混合BCI（hBCI）范式与神经编码

2.5 BCI范式与神经编码面临的挑战及未来研究方向

2.5.1 以用户为中心设计和评价BCI范式与神经编码

2.5.2 变革传统的BCI范式

2.5.3 突破现有的脑信号采集技术

2.5.4 BCI技术与先进AI技术相结合提升脑信号解码性能

2.6 总结

参考文献

第3章 BCI金标准：在线BCI系统转化为实际应用的综合评价方法——可用性、用户满意度和使用情况

3.1 引言

3.2 从离线BCI数据分析建模到在线BCI系统构建和性能优化的飞跃

3.2.1 离线BCI数据分析建模

3.2.2 在线BCI系统构建和性能优化

3.3 在线BCI系统转化为实际应用的综合评价方法

3.3.1 在线BCI系统可用性评价

3.3.2 在线BCI系统用户满意度评价

3.3.3 在线BCI系统使用情况评价

3.4 BCI金标准发展趋势

3.4.1 在线BCI系统可用性和用户满意度评价面临的挑战

3.4.2 在线BCI系统功效评价

3.4.3 提高在线BCI系统可用性和用户满意度的方法

3.4.4 不同采集方式和不同范式的BCI在转化为实际应用时面临的障碍

3.5 总结

参考文献

第2篇 基于想象的脑机交互（BCI）的基本概念、理论、原理和方法

第4章 人类的心理想象及神经影像研究

4.1 人类的心理想象活动

4.1.1 人类的感知与心理想象活动

4.1.2 人类心理想象活动的类型

4.1.3 人类心理想象活动的执行与能力评价及提高方法

4.2 心理想象的神经影像研究现状及发展趋势

4.2.1 较低级心理想象的神经影像研究现状及发展趋势

4.2.2 较高级心理想象的神经影像研究现状及发展趋势

4.3 总结

参考文献

第5章 基于言语想象的BCI关键技术

5.1 引言

5.2 言语想象的神经机制

5.2.1 言语想象的基础生理过程

5.2.2 脑神经信号采集

5.2.3 基于言语想象的BCI系统的脑区选择

5.2.4 基于言语想象的BCI系统在不同波段下的表现

5.2.5 言语想象任务中的EEG动态特征

5.3 基于言语想象的BCI系统的实验范式及想象材料

5.3.1 分类任务实验范式

5.3.2 解码任务实验范式

5.3.3 想象音位/音节

5.3.4 想象汉字/单词

5.3.5 想象句子

5.4 数据处理的关键技术

5.4.1 特征提取

5.4.2 分类与解码

5.4.3 典型算法比较

5.5 存在的问题及发展趋势

5.5.1 在线系统

5.5.2 实验范式

5.5.3 言语想象数据

5.5.4 解码句子

5.5.5 多种状态下脑神经信号分析

5.5.6 多模态信号对言语信息的解码

5.5.7 基于言语想象的BCI系统未来的发展及应用

5.6 总结

参考文献

第6章 基于视觉想象的BCI范式和神经编码与解码

6.1 引言

6.2 视觉想象的神经机制、VI-BCI范式设计与神经编码

6.2.1 视觉想象的神经机制

6.2.2 VI-BCI范式设计

6.2.3 VI-BCI神经编码

6.3 视觉想象BCI神经解码方法

6.3.1 视觉想象相关脑信号特征提取和选择

6.3.2 视觉想象相关脑信号特征分类

6.4 基于视觉想象的BCI存在的问题及未来研究方向

6.4.1 VI-BCI存在的问题

6.4.2 VI-BCI未来研究方向

6.5 总结

参考文献

第7章 基于运动想象的BCI神经科学原理

7.1 事件相关去同步化/同步化（ERD/ERS）现象及其神经科学原理

7.1.1 事件

7.1.2 事件相关去同步化/同步化（ERD/ERS）现象

7.1.3 ERD/ERS现象潜在的神经科学原理或神经机制

7.2 运动想象相关ERD/ERS现象及其神经科学原理

7.2.1 实际运动和运动想象涉及的脑结构与激活特征

7.2.2 实际运动和运动想象ERD/ERS现象

7.2.3 运动想象ERD/ERS现象的神经机制

7.3 运动相关电位（MRP）的神经科学原理

7.3.1 运动相关皮层电位（MRCP）

7.3.2 运动准备电位（RP）

7.3.3 运动相关电位（MRP）

7.3.4 运动准备电位和运动相关电位的神经机制

7.4 总结与展望

参考文献

第3篇 基于运动想象的脑机交互（MI-BCI）实践与应用

第8章 BCI中运动想象的执行及能力的评估和提高方法

8.1 引言

8.2 实际运动、动觉运动想象与视觉运动想象

8.2.1 实际运动的执行

8.2.2 动觉运动想象的执行

8.2.3 视觉运动想象的执行

8.2.4 实际运动、动觉运动想象和视觉运动想象的比较

8.2.5 特别值得注意的问题

8.3 动觉运动想象和视觉运动想象能力的评估方法

8.3.1 国际量表

8.3.2 心理测时法和心理旋转法

8.3.3 脑功能成像

8.3.4 神经反馈（NF）

8.3.5 事件相关同步化/去同步化

8.4 动觉运动想象和视觉运动想象能力的提高方法

8.4.1 动觉运动想象能力的提高方法

8.4.2 视觉运动想象能力的提高方法

8.4.3 冥想训练

8.5 BCI中运动想象的执行、能力的评估和提高方法：未来趋势

8.5.1 运动想象的自动化执行、实时可视化客观评估和高效的神经反馈训练

8.5.2 个体之间和内部运动想象的差异性、共性及MI-BCI盲问题

8.6 总结

参考文献

第9章 运动想象相关脑信号分类方法

9.1 引言

9.2 传统机器学习算法

9.2.1 线性分类器

9.2.2 非线性贝叶斯分类器

9.2.3 最近邻分类器

9.2.4 神经网络分类器

9.2.5 集成分类器

9.2.6 小结

9.3 深度学习

9.3.1 原理

9.3.2 深度学习中输入形式的重要性

9.3.3 最新进展

9.3.4 利弊分析

9.4 自适应分类器

9.4.1 原理

9.4.2 最新进展

9.4.3 利弊分析

9.5 黎曼几何分类器

9.5.1 原理

9.5.2 最新进展

9.5.3 利弊分析

9.6 迁移学习

9.6.1 原理

9.6.2 最新进展

9.6.3 利弊分析

9.7 其他类型神经活动测量技术的分类算法

9.7.1 MI-MEG的分类方法

9.7.2 MI-fNIRS的分类方法

9.7.3 MI-ECoG的分类方法

9.7.4 MI-fMRI的分类方法

9.7.5 MI-Spike的分类方法

9.7.6 小结

9.8 总结与展望

参考文献

第10章 运动想象BCI实验研究

10.1 引言

10.2 基于ICA的运动想象脑机接口研究

10.2.1 MI-EEG开源数据库

10.2.2 ICA在MI-BCI中应用的背景知识

10.2.3 ICA在传统MI-BCI系统实现中的适用性研究

10.2.4 ICA/CSP方法的迁移学习性能和ICA-MI-BCI导联优化问题

10.2.5 不同ICA算法在ICA-MI-BCI系统实现中的性能比较

10.3 DNN在MI-BCI中的应用研究

10.3.1 EhythmNet及其性能仿真

10.3.2 EhythmNet在实测MI-EEG分析中的应用

10.4 总结

参考文献

第11章 运动想象BCI及其结合虚拟现实康复研究

11.1 引言

11.2 运动想象脑机接口基本知识

11.2.1 运动想象脑机接口系统的分类

11.2.2 运动想象脑电信号的特性

11.2.3 运动想象脑机接口基本原理

11.2.4 国内外脑机接口康复领域研究现状

11.2.5 运动想象脑机接口特征提取方法的研究现状

11.3 运动想象脑机接口与虚拟现实技术的康复应用

11.3.1 研究现状

11.3.2 面临困难

参考文献

第12章 双向闭环运动想象BCI主动康复训练系统的功效评价方法

12.1 引言

12.2 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统的康复理论/原理与方法、主要作用和临床研究案例

12.2.1 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统

12.2.2 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统的康复理论/原理与方法

12.2.3 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统的主要作用

12.2.4 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统的临床研究案例

12.3 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统的康复训练周期和康复功效评价方法

12.3.1 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统的康复训练周期

12.3.2 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统的康复功效评价方法

12.4 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统的可用性、用户满意度和使用情况评价方法

12.5 发展趋势展望

12.5.1 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统运动功能障碍康复效果评价面临的挑战

12.5.2 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统与用户相关的挑战

12.5.3 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统面临的临床应用挑战

12.5.4 双向闭环MI-BCI主动康复训练系统面临的技术挑战

12.6 总结

参考文献