1高小榕、胡德文和明東教授推薦

基于想象的腦機交互是腦機接口領域的重要發展方向，本書可為讀者提供寶貴的理論與實踐參考，激發創新思維與前瞻性探索。

——清華大學高小榕教授

區別于外源性腦機接口，本書聚焦于內源性腦機接口：基于想象的腦機交互技術，具有重要的潛在應用，可為該領域的創新研發提供啟發。

——國防科技大學胡德文教授

想象力常常帶來突破，基于想象的腦機交互正是這一突破的典型。本書深入探討這一創新技術的核心原理與實踐，為讀者提供寶貴的洞見與應用指導，是探索腦機交互領域的重要讀物。

——天津大學明東教授

2內容簡介

人類個體具有豐富多樣的心理想象活動，不僅有運動想象，還有言語想象、視覺想象、聽覺想象和觸覺想象等。想象力比知識更重要，是創造力的重要源泉之一。心理想象有望成為腦機接口（BCI）范式創新設計可選的心理活動。基于想象的腦機交互是一類重要的BCI，通過心理想象誘發的腦信號可以實現大腦與外設直接的通信和控制。

本書強調理論與實踐相結合，認為成功的BCI 系統研發不是一個單純的工程實現方法或算法問題，更重要的是理論與原理。本書注重基礎，包含了BCI 的一些共性基礎內容，包括BCI 相關術語、BCI 范式與神經編碼、BCI 金標準（在線BCI 系統轉化為實際應用的綜合評價方法—用戶可用性、滿意度和使用情況）。在此基礎上，本書聚焦基于想象的BCI 基本概念、理論、原理和方法，包括人類的心理想象及神經影像研究、基于言語想象的BCI 關鍵技術、基于視覺想象的BCI范式和神經編碼與解碼和基于運動想象的BCI 神經科學原理。最后闡述了運動想象BCI實踐和應用，包括BCI 中運動想象的執行及能力的評估和提高方法、運動想象相關腦信號分類方法、運動想象BCI 實驗研究、運動想象BCI 及其結合虛擬現實康復研究和雙向閉環運動想象BCI 主動康復訓練系統的功效評價方法。

本書不僅可供從事BCI 研發的人員參考，也可供受認知與神經科學啟發的人工智能（包括類腦計算、腦機智能融合等方向）的研發人員參考，還可作為高年級本科生、碩士和博士研究生的教材，也可作為BCI 相關科研人員的參考書。

3原著者序言

在2011年之前的幾十年里，從大腦記錄的信號已經可以用于通信和控制，這種可能性引起了科學家們的興趣。1996—2011年腦機接口（BCI）的研究和開發開始興起。2000年左右，BCI 研究僅限于幾個孤立的實驗室；截至2011年，全世界已有數百個研究組在對BCI 展開研究，并且新的研究組在不斷出現。2006—2011年，BCI領域的發展突飛猛進，許多重要的BCI原創研究發表，是BCI 研究的一個黃金時期。自2012年至今，BCI研究界在著名國際學術期刊上發表的BCI 文章急劇增加。特別是自2015年BCI研究界制定歐盟路線圖以來，BCI 研究進展顯著加快，一些大公司如Neuralink等投資研發BCI，進一步推動了BCI 研究的熱潮。目前，BCI 已經成為一個非常活躍和迅速發展的科技領域。

在眾多BCI范式（Paradigm），如基于穩態視覺誘發電位（SSVEP）的BCI、基于P300的BCI等中，基于想象（Imagery）的腦機交互是一類重要的BCI，是典型的可以不依賴外部刺激的內源性BCI，其通過心理想象誘發的腦信號實現與外設的通信和控制。人類個體的心理想象是一類重要的心理活動，不僅有運動想象，還有言語想象、視覺想象、聽覺想象和觸覺想象等豐富多樣的想象活動。這些心理想象有望成為BCI 范式創新設計可選的心理活動，這是本書的一個主要動力，也是本書結構和內容的一個主要原則。本書獲得國家科學技術學術著作出版基金支持。

本書主要聚焦基于想象的腦機交互原理與實踐，分為3篇：第1篇為腦機交互的一些共性內容，是第2篇和第3篇的基礎；第2篇為基于想象的腦機接口（BCI）的基本概念、理論、原理和方法；第3篇是第1篇和第2篇在實踐中的應用。

第1篇包括3章內容，提供了BCI研發和轉化的一些重要內容。

第1章BCI 重要內容：BCI相關術語，旨在為BCI初學者、中級和高級研發者查閱或精準理解BCI 相關術語提供支撐。

第2章明確給出了BCI范式與神經編碼的定義和設計原則。在BCI技術系統中，BCI范式與神經編碼是BCI研發的關鍵和重要內容之一。

第3章為BCI金標準：在線BCI系統轉化為實際應用的綜合評價方法——用戶可用性、滿意度和使用情況，強調評價在線BCI系統的實用性和重要價值，而不僅對離線數據進行分析。

第2篇包括4章內容，在第1篇的基礎上，聚焦基于想象的腦機接口（BCI）的基本概念、理論、原理和方法，是研究和開發基于想象的BCI系統的重要內容。

第4章介紹了人類的心理想象及神經影像研究，是基于想象的BCI研發的重要基礎。心理想象（Mental Imagery，MI）可以作為BCI的一類范式，本章給出心理想象的定義、執行方法、能力評價和提高方法。心理想象的神經科學（Neuroscience）原理或腦認知（Cognitive Neuroscience）機制，是基于想象的BCI的基石。

在第4章的基礎上，第5章、第6章和第7章分別聚焦基于言語想象的BCI關鍵技術、基于視覺想象的BCI范式和神經編碼/解碼、運動想象BCI的神經科學原理。

第3篇包括5章內容，在第2篇的基礎上，著重介紹運動想象腦機接口（BCI）實踐與應用。

第8章詳細論述BCI中運動想象（Motor Imagery，MI）的執行與能力的評估和提高方法，強調MI心理活動的正確執行，以及能力的評估和提高對MI-BCI 系統性能的提升及應用具有重要的甚至關鍵性的作用。基于此，研發客觀的、定量可視化的MI能力評估方法，研發有效的、訓練時間短的 MI 能力提高方法，并且在一定程度上解決個體之間和內部MI的差異性、共性和MI-BCI低效問題具有一定的必要性。

第9章詳述了運動想象相關腦信號分類方法，這是BCI系統研發中受關注度最高的內容之一。

在第9章的基礎上，第10章、第11章分別介紹了運動想象BCI實驗研究及其與虛擬現實相結合用于康復的研究。這些內容有利于促進運動想象BCI轉化為實際應用。

在運動想象BCI系統轉化為臨床實際應用時，其功效評價方法極為重要。基于此，第12章以雙向閉環運動想象BCI主動康復訓練系統為例，論述了該類系統的康復訓練周期和康復功效評價方法。

本書內容既有初次接觸BCI的讀者所需要理解的BCI基礎，又有適合BCI初級和中高級研究人員深入探索所需要掌握的一些BCI共性的原理和方法。本書論述深入淺出、循序漸進，可讀性較強。BCI是一個涉及較多學科的方向，本書可為神經科學、認知科學與心理科學、受認知與神經科學啟發的新型人工智能、生物醫學工程、神經與康復工程、智能機器人控制、模式識別與現代信號處理等相關專業的高年級本科生、碩士研究生、博士研究生及高級研究人員提供可借鑒的信息資源。本書也適合所有對BCI技術及其應用感興趣的讀者閱讀，具有一定的科普作用。

由于著者水平有限，本書難免存在錯誤或不妥之處，懇請讀者指正。

4目錄

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原著者簡介

伏云發，2012年博士畢業于中國科學院研究生院、中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，獲工學博士學位。現為昆明理工大學腦認知與腦機智能融合創新團隊負責人。為中國康復醫學會腦機接口與康復專業委員會第一屆委員會常務委員，中國人工智能學會腦機融合與生物機器智能專業委員會第三屆委員，中國認知科學學會計算神經工程專委會委員，腦機接口產業聯盟專家委員會資深專家，腦機接口產業聯盟科普與科技倫理工作組副主席，從事腦機接口17余年，主要研究興趣為腦機接口與神經反饋及應用。

楊幫華，2006年獲上海交通大學工學博士學位，現為上海大學機電工程與自動化學院、醫學院雙聘教授，博士生導師，腦機工程研究中心負責人。獲上海市浦江人才、上海市五一勞動獎、上海市三八紅旗手。為中國康復醫學會腦機接口與康復專委會副主任委員、全國信息技術標準化技術腦機接口分技術委員會委員、中國腦機接口產業聯盟資深專家，深耕腦機接口20余年，主要研究領域包括運動想象腦機接口編解碼技術及其結合VR應用，多次得到央視臺報道。

陳樹耿，2021年獲復旦大學醫學博士，華山醫院康復醫學科主管物理治療師。澳大利亞昆士蘭大學訪問學者。中國康復醫學會腦機接口與康復專業委員會委員，中國研究型醫院學會神經再生與修復專業委員會腦機接口學組委員。從事腦機接口及其臨床應用和腦機制研究十余年，主持國家級和省部級腦機接口相關項目3項，獲得中國產學研合作創新與促進獎、上海康復醫學科技獎一等獎。

吳小培，2002年獲中國科學技術大學工學博士學位，現為安徽大學計算機科學與技術學院教授，博士生導師。安徽省學術和技術帶頭人后備人選，安徽大學“生物信息感知與人機交互”科研團隊負責人。中國科學技術大學信號與信息處理博士后流動站從事博士后研究工作（2003-2006）。曾作為國家留學基金委公派訪問學者赴美國加州大學圣地亞哥分校學習。長期從事信號處理領域的教學與科研工作，在多模態生物醫學信號處理方法及其在腦-機接口實用化技術方面取得了多項有價值的科研成果。

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