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第三部分 神经接口与康复3

第9章 脑-机接口3

9.1 脑-机接口概述3

9.1.1 脑-机接口定义3

9.1.2 早期脑-机接口6

9.1.3 脑-机接口分类9

9.1.4 脑-机接口组成11

9.1.5 脑-机接口系统性能评价指标14

9.2 典型的脑-机接口范式15

9.2.1 基于ERP中P300电位的脑-机接口16

9.2.2 基于SMR的脑-机接口21

9.2.3 基于SSVEP的脑-机接口24

9.2.4 基于SCP的脑-机接口27

9.2.5 其他脑-机接口范式28

9.3 脑-机接口应用及发展现状32

9.3.1 国内外脑-机接口大赛32

9.3.2 脑-机接口应用领域33

9.3.3 脑-机接口应用的发展现状37

9.4 脑-机接口未来的发展趋势41

9.4.1 脑-机接口传感器系统开发42

9.4.2 脑-机接口信息编解码技术发展44

9.4.3 新型脑-机接口范式设计45

9.4.4 脑-机接口发展的未来47

9.5 本章小结48

思考题48

参考文献48

第10章 植入神经接口与微系统51

10.1 概述51

10.2 硬件系统构成52

10.2.1 植入式高密度神经信号采集53

10.2.2 信号处理54

10.2.3 外界通信54

10.2.4 设备供能55

10.2.5 系统封装55

10.3 神经信号解码与反馈56

10.3.1 神经信息的编解码56

10.3.2 神经元集群信息分析方法57

10.3.3 感觉信息再生58

10.4 植入式神经接口系统的应用范例59

10.4.1 植入式感觉神经假体59

10.4.2 植入式微电子神经桥62

10.4.3 神经控制假肢64

10.5 本章小结73

思考题74

参考文献74

第11章 神经肌骨动力学77

11.1 神经肌骨动力学概述77

11.1.1 神经肌骨动力学定义77

11.1.2 研究内容、发展和分类77

11.1.3 研究方法——神经肌骨模型78

11.1.4 常用设备介绍79

11.2 步态分析80

11.2.1 步态分析简介及发展80

11.2.2 基本步态特征表征81

11.2.3 步态分析方法83

11.2.4 步态分析在临床中的应用84

11.2.5 步态识别85

11.3 肌骨系统中的神经控制信号——肌电信号86

11.3.1 运动控制原理86

11.3.2 肌电与肌肉收缩力87

11.3.3 肌电与肌肉疲劳88

11.3.4 肌电与脑电的相干性93

11.4 肌骨动力学模型94

11.4.1 正向动力学模型——肌电协助的肌骨模型94

11.4.2 反向动力学模型——基于静态优化的肌骨模型96

11.4.3 实验方法99

11.5 神经肌骨动力学的应用99

11.5.1 机械外骨骼100

11.5.2 骨关节炎100

11.5.3 前十字韧带损伤101

11.5.4 脑卒中102

11.6 面临挑战与发展趋势102

11.7 本章小结103

思考题103

参考文献104

第四部分 神经刺激与调控109

第12章 功能性电刺激109

12.1 功能性电刺激概述109

12.2 FES的分类110

12.2.1 FES的功能重建作用110

12.2.2 FES的功能替代作用112

12.2.3 植入式和非植入式FES112

12.3 FES作用机理113

12.3.1 FES的工作原理113

12.3.2 肌肉的募集特性114

12.4 FES的系统构成116

12.4.1 FES系统结构116

12.4.2 电极特性与电极-组织接口117

12.4.3 FES刺激参数118

12.4.4 反馈控制算法120

12.5 功能性电刺激的应用与发展122

12.5.1 肢体功能性电刺激122

12.5.2 心脏起搏器124

12.5.3 干扰电治疗129

12.6 本章小结132

思考题133

参考文献133

第13章 电磁神经调控135

13.1 经颅电刺激135

13.1.1 经颅电刺激简介135

13.1.2 经颅直流电刺激的应用137

13.1.3 经颅交流电刺激的应用140

13.2 经颅磁刺激141

13.2.1 经颅磁刺激技术发展历史141

13.2.2 经颅磁刺激技术作用机制142

13.2.3 经颅磁刺激器系统142

13.2.4 经颅磁刺激与其他神经成像手段联用148

13.3 经颅磁刺激技术研究与应用150

13.3.1 经颅磁刺激与脑可塑性研究150

13.3.2 经颅磁刺激与脑功能定位152

13.3.3 经颅磁刺激与肌体运动康复153

13.3.4 经颅磁刺激用于神经性疾病治疗156

13.4 深部脑刺激158

13.4.1 深部脑刺激研究现状159

13.4.2 深部脑刺激研究内容160

13.4.3 深部脑刺激应用161

13.5 本章小结162

思考题163

参考文献163

第14章 光遗传学165

14.1 概述165

14.1.1 光遗传学简介165

14.1.2 光遗传学诞生和发展简史166

14.2 光遗传学基本原理167

14.2.1 光敏感蛋白167

14.2.2 视蛋白靶技术169

14.2.3 光传输技术172

14.2.4 输出信号检测176

14.3 光遗传学的应用180

14.3.1 焦虑障碍与恐惧的神经环路研究181

14.3.2 药物成瘾的神经环路182

14.3.3 抑郁的神经环路研究183

14.3.4 自闭症和精神分裂症的神经环路研究184

14.3.5 学习记忆研究184

14.3.6 睡眠-觉醒节律的研究185

14.3.7 在其他细胞生物学领域的应用186

14.4 光遗传学展望186

14.4.1 促进神经工程发展186

14.4.2 光敏感蛋白的优化和扩充187

14.4.3 反向工程188

14.4.4 时空维度上分子回路的研究188

14.4.5 光遗传学的竞争者188

14.5 本章小结190

思考题190

参考文献190

第15章 经颅超声刺激192

15.1 经颅超声刺激的发展192

15.2 超声波原理193

15.2.1 超声波的传播及声强193

15.2.2 边界声阻抗194

15.2.3 超声波换能器195

15.2.4 超声聚焦及分辨率196

15.2.5 超声物理效应197

15.3 神经调控199

15.3.1 动物神经调控199

15.3.2 人类神经调控203

15.4 面临的挑战及未来方向205

15.5 本章小结206

思考题206

参考文献207

第五部分 神经模拟与仿生211

第16章 神经假体211

16.1 感觉神经假体211

16.1.1 视觉神经假体211

16.1.2 听觉神经假体221

16.1.3 触觉神经假体232

16.2 运动神经假体239

16.2.1 概述239

16.2.2 仿生神经肌肉接口242

16.2.3 基于功能性电刺激的运动神经假体245

16.3 中枢神经假体248

16.3.1 概述248

16.3.2 记忆假体工作原理与结构组成250

16.3.3 记忆假体的挑战与展望253

16.4 本章小结253

思考题254

参考文献254

第17章 人工神经网络256

17.1 人工神经网络基础256

17.1.1 人工神经网络概述256

17.1.2 人工神经网络发展259

17.1.3 人工神经网络基本模型与组成要素262

17.1.4 人工神经网络的应用266

17.2 常见人工神经网络模型268

17.2.1 BP神经网络268

17.2.2 Hopfield反馈神经网络270

17.2.3 径向基函数神经网络273

17.2.4 自组织特征映射神经网络275

17.2.5 对偶传播神经网络278

17.2.6 自适应谐振理论282

17.2.7 量子神经网络简介284

17.3 深度学习简介290

17.3.1 深度神经网络简介291

17.3.2 监督学习方向291

17.3.3 非监督学习方向293

17.3.4 强化学习方向294

17.3.5 深度学习的应用295

17.4 本章小结298

17.5 思考题299

参考文献299

第18章 神经仿生学与智能机器人302

18.1 神经仿生学302

18.1.1 仿生学概述302

18.1.2 神经仿生学的兴起和发展303

18.2 神经仿生学在智能机器人领域的应用308

18.2.1 智能机器人308

18.2.2 神经机器人309

18.2.3 类脑智能前沿热点与研究现状316

18.3 类脑智能的未来328

18.4 本章小结329

思考题330

参考文献330

第六部分 神经再生与修复335

第19章 神经再生与修复335

19.1 概述335

19.2 周围神经再生与修复335

19.2.1 生物可降解人工神经移植物336

19.2.2 组织工程神经339

19.2.3 周围神经损伤344

19.3 中枢神经再生与修复346

19.3.1 神经组织移植346

19.3.2 细胞移植347

19.3.3 分子治疗348

19.3.4 组织工程修复348

19.3.5 常见中枢神经损伤349

19.4 神经再生与修复展望361

19.5 本章小结362

思考题362

参考文献362

第七部分 神经工程前沿技术及新应用367

第20章 神经工程前沿技术及新应用367

20.1 神经成像新技术应用367

20.1.1 功能磁共振成像367

20.1.2 脑功能成像新技术374

20.1.3 神经成像技术革新378

20.2 神经接口新技术应用380

20.2.1 神经接口促进疾病康复380

20.2.2 神经接口改善人类生活384

20.2.3 构建“大脑网络”实现群体协同脑-机交互388

20.3 神经工程新应用之神经刺激与调控390

20.3.1 刺激调控与疾病390

20.3.2 刺激调控与记忆392

20.3.3 刺激调控与社会生活393

20.3.4 刺激调控与军事394

20.4 类脑研究与人工智能395

20.4.1 大数据时代下的神经工程学395

20.4.2 神经工程学与类脑研究396

20.5 本章小结396

思考题397

参考文献398