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Journal of Zhejiang University SCIENCE C
ISSN 1869-1951(Print), 1869-196x(Online), Monthly
2014 Vol.15 No.10 P.805-942
Special Part Issue on Brain-Machine Interface (BMI) and Cyborg Intelligence
Editorial: Brain-machine interface (BMI) and cyborg intelligence
Zhao-hui Wu
DOI: 10.1631/jzus.C1400325 Downloaded: 2627 Clicked: 6087 Cited: 2 Commented: 0(p.805-806) <Full Text>
Yu-qing Chen, Yu-pu Diao, Jing-gang Duan, Li-yuan Cui, Jia-yi Zhang
DOI: 10.1631/jzus.C1400153 Downloaded: 2574 Clicked: 8025 Cited: 1 Commented: 0(p.807-812) <Full Text><PPT> 1925
创新要点：首先，对后胚胎期上丘双眼分离随时间的发育进行了系统研究；其次，在同一个系统中，采用相同的实验方法和分析方法，同时研究外膝体和上丘中双眼分离的发育，使横向比较成为可能。
方法提亮：将偶联荧光染料的CTB进行眼内注射，48小时后灌流切鼠脑，利用Matlab程序分析同侧、异侧投射所占比例以及两者投射相重叠的比例。
重要结论：（1）在对外膝体和上丘双眼分离发育的整个过程中，同侧投射和同侧异侧重叠投射的比例都显著降低，与之相比，异侧投射所占比例的变化并非单向，且变化幅度小很多。（2）整个发育过程中，可将外膝体和上丘中双眼分离的发育分为两个阶段：快速发育阶段和趋缓的精细发育阶段。这两个阶段在外膝体和上丘中所需时间不同；实验数据表明，丘双眼分离的发育早于外膝体。
关键词组：双眼分离；外膝体；上丘；小鼠视觉系统
Exploring the mechanism of neural-function reconstruction by reinnervated nerves in targeted muscles
Hui Zhou, Lin Yang, Feng-xia Wu, Jian-ping Huang, Liang-qing Zhang, Ying-jian Yang, Guang-lin Li
DOI: 10.1631/jzus.C1400154 Downloaded: 2761 Clicked: 8276 Cited: 1 Commented: 0(p.813-820) <Full Text><PPT> 2203
创新要点：将大鼠正中神经横断后移植到胸大肌上，建立基于大鼠的靶向肌肉神经重建模型，研究靶向肌肉神经重建的功能康复情况及内在神经机理；首次通过可植入电极实时获取大鼠肌肉内肌电信息，并评价神经重建后神经肌肉功能恢复情况；应用基于小波滤波器阵列的包络线提取方法，抽取肌肉活动时的肌电信息用于评价肌肉功能。
重要结论：动物实验结果表明：神经重建的大鼠靶向肌肉，在神经重建后一周内出现肌电信号，并随时间逐渐增强；失神经支配的靶向肌肉，其肌电信号并无改善。通过对神经重建后功能恢复及机理的研究，人们可探索不同治疗方法对神经重建的作用，改善神经重建效果，优化肌电假肢控制。
关键词组：神经功能重建；靶向肌肉再支配；肌肉内肌电信号；肌电控制假肢
Scale-free brain ensemble modulated by phase synchronization
Dan Wu, Chao-yi Li, Jie Liu, Jing Lu, De-zhong Yao
DOI: 10.1631/jzus.C1400199 Downloaded: 3560 Clicked: 8213 Cited: 1 Commented: 0(p.821-831) <Full Text><PPT> 2136
创新要点：无标度性是脑电信号和音乐都遵循的规律。我们使用了一种满足无标度特征的脑音乐生成方法，将相位同步信息用于调整音乐的协和性，使得到的音乐可以表达不同电极位置信号之间的同步关系。
研究方法：首先，将来自两个不同电极位置的脑电信号分别转换为两段音乐旋律，其中脑电信号的振幅等参数映射为音乐中音符的音高、音长和音量。然后，将这两段音乐合成为一段合奏，为其设定调式。通过计算两道脑电信号之间的相位同步指数，得到音乐的协和性序列。对每个时间点而言，均有两个音同时发出。根据音乐的调式，可确定一个固定的音符，再根据协和性序列，调整另一个音符，从而使音乐的协和性可以表达相位同步指数的变化（图1）。最后，将静息状态下的睁眼和闭眼的EEG数据用于产生音乐（图2，3），显示出在音域、标度指数等方面的差异（图4）。
重要结论：基于相位同步的无标度合奏脑音乐生成方法可以将来自不同电极的脑电信号的特征用音乐的形式进行表达，得到的音乐保留了原始脑电信号的无标度特征（图6，7）。该方法在脑电监测和生物反馈方面有一定的应用潜力。
关键词组：脑波；脑音乐；合奏音乐；无标度；相位同步
Hong-tao Wang, Yuan-qing Li, Tian-you Yu
DOI: 10.1631/jzus.C1400150 Downloaded: 3598 Clicked: 9094 Cited: 3 Commented: 0(p.832-838) <Full Text><PPT> 2359
创新要点：采用脑电(事件关联电位、运动想象)和语音（单音，如"啊"）实现了轮椅的前进、左转、右转和停止功能。
研究方法：设计了轮椅控制硬件平台（图1）和协同控制算法（图4）。其中，事件关联电位脑机接口（P300）子算法识别受试者是否注视"S"闪烁键（闪烁键界面如图3所示），若受试者有控制意图，则转化成相应的启动指令；运动想象脑机接口子算法实时提取受试者脑电信号，并将其左/右手运动想象意图转化为左/右转控制指令；语音识别子算法识别受试者主动发出的单音（如"啊"），并转化为停止指令。
重要结论：受试者仅用视觉刺激，想象左/右手及单音（如"啊"）就能控制轮椅的前进、左转、右转、停止和启动。五位健康受试者参与了评估实验，达到了良好的控制效果，特别是最佳时间比和最佳路径比两项指标令人满意。
关键词组：脑机接口；语音识别；协同控制；智能轮椅
A bidirectional brain-computer interface for effective epilepsy control
Yu Qi, Fei-qiang Ma, Ting-ting Ge, Yue-ming Wang, Jun-ming Zhu, Jian-min Zhang, Xiao-xiang Zheng, Zhao-hui Wu
DOI: 10.1631/jzus.C1400152 Downloaded: 3350 Clicked: 8127 Cited: 1 Commented: 0(p.839-847) <Full Text><PPT> 2130
创新要点：首先，提出"双阈值"癫痫检测算法，针对癫痫脑电波形态特征，实现在线快速检测；其次，建立闭环脑机接口系统，通过反应性高频皮层刺激，有效抑制癫痫。
试验结果：通过建立双向脑机接口技术，对脑电信号进行实时分析，从而在癫痫发作前期将其准确检测出来，并触发反应性电刺激，有效抑制癫痫。在青霉素癫痫大鼠模型上的对照试验表明，基于癫痫脑电形态学特征的癫痫检测方法，癫痫检测率83%，平均检测延迟3.11秒；实验组相比于对照组，平均癫痫发作时间减少30.7%。
重要结论：通过双向闭环脑机接口系统，能够实现"按需刺激"，从而大大降低电刺激量，减小副作用和组织损伤。基于脑机接口的反应性电刺激系统，能够对癫痫进行实时检测和刺激，有效抑制癫痫发作。该系统具有临床应用潜力。
关键词组：脑机接口；癫痫；癫痫检测；反应性电刺激
Electrical & Electronic Engineering
Review: Advances in the control of mechatronic suspension systems
Wajdi S. Aboud, Sallehuddin Mohamed Haris, Yuzita Yaacob
DOI: 10.1631/jzus.C14a0027 Downloaded: 6841 Clicked: 9247 Cited: 3 Commented: 0(p.848-860) <Full Text>
An advanced integrated framework for moving object tracking
Gwang-Min Choe, Tian-jiang Wang, Fang Liu, Chun-Hwa Choe, Hyo-Son So, Chol-Ung Pak
DOI: 10.1631/jzus.C1400006 Downloaded: 3040 Clicked: 7119 Cited: 1 Commented: 0(p.861-877) <Full Text>
A modified direct adaptive robust motion trajectory tracking controller of a pneumatic system
Peng-fei Qian, Guo-liang Tao, De-yuan Meng, Hao Liu
DOI: 10.1631/jzus.C1400003 Downloaded: 3642 Clicked: 9020 Cited: 2 Commented: 0(p.878-891) <Full Text><PPT> 2393
创新要点：采用卡尔曼滤波器，估计合成确定性鲁棒控制律时的中间控制率的一阶导数，从而避免求解中间控制率的一阶导数的可计算部分，简化控制算法。
方法提亮：采用基于离散投影的梯度类型的自适应率，以确保估计出的未知模型参数落在已知有界区域内；使用确定性鲁棒控制策略减小未建模动态、扰动以及参数估计误差的影响；使用离散投影图，以同时合成参数自适应律和鲁棒控制律；分别设计卡尔曼滤波器，用于估计运动状态、估计合成确定性鲁棒控制律时的中间控制率的一阶导数。
重要结论：本文提出的改进型自适应鲁棒控制策略，可以简化控制算法。实验结果表明，该策略能实现高精度的运动轨迹跟踪控制，且对扰动有很强的鲁棒性。
关键词组：开关电磁阀；跟踪控制；鲁棒控制；自适应控制；卡尔曼滤波器；离散投影
A differential control method for the proportional directional valve
Bo Jin, Ya-guang Zhu, Wei Li, De-sheng Zhang, Lu-lu Zhang, Fei-fei Chen
DOI: 10.1631/jzus.C1400056 Downloaded: 3663 Clicked: 8805 Cited: 2 Commented: 0(p.892-902) <Full Text><PPT> 2167
创新要点：在建立比例阀电磁铁非线性模型的基础上，提出了差动控制策略，建立差动控制器输出互成差动关系的两路控制信号，分别激励比例阀的左右两个比例电磁铁，以总体力增益恒定为优化目标选取最佳工作点，从而减小比例阀电磁铁的非线性，改善比例方向阀性能。
方法提亮：同时驱动比例方向阀的两个比例电磁铁，使两路控制信号满足差动关系，合理配置静态工作点使两路比例电磁铁的合力线性度最高，并通过阀芯位移反馈实现对阀芯位置的闭环控制。
重要结论：实验结果表明，差动控制算法能够有效改善比例阀电磁铁的非线性特性，提高比例方向阀阀心位移的控制精度与响应速度。
关键词组：差动控制方式；频率响应；比例方向阀；阀芯位移反馈
Mismatched feature detection with finer granularity for emotional speaker recognition
Li Chen, Ying-chun Yang, Zhao-hui Wu
DOI: 10.1631/jzus.C1400002 Downloaded: 3197 Clicked: 9003 Cited: 2 Commented: 0(p.903-916) <Full Text><PPT> 2357
创新要点：鉴于不同音素引起的失真特征分布变化存在差异，提出在音素类、高斯符号化和概率高斯符号化三种声学类上的精细失真特征检测模型与修正方法。
研究方法：采用流形分析方法，观测失真特征分布，得到结论：偏离中性特征空间越远，区分说话人能力越差。若基于某项特征的说话人区分能力小于某个阈值，即检测为失真特征（图1）。对于音素类和高斯符号化表示的声学类，采用支持向量机建立可靠–失真特征检测模型；对于概率高斯符号化表征的声学类，采用模糊支持向量机建立可靠–失真特征检测模型。为确保修正后的失真特征逼近真实的中性情形又不损失说话人特性，对检测出的失真特征进行修正时，将失真特征空间映射到可靠特征空间的同时，要使得转换后的失真特征空间和其他说话人的可靠特征空间的距离不会随之减少。
重要结论：情感导致说话人的部分语音特征分布发生变化成为失真特征，通过三种声学类的精细失真特征检测与修正，能够有效处理失真特征，提升系统识别性能。最高的概率高斯符号化下的失真特征修正算法，使得基准的GMM-UBM算法识别率提升6.77%，i-vector算法识别率提升3.32%。
关键词组：情感说话人识别；模糊支持向量机；失真特征检测；特征修正
Gui-jie Wang, Yun-long Cai, Min-jian Zhao, Jie Zhong
DOI: 10.1631/jzus.C1400034 Downloaded: 3632 Clicked: 9655 Cited: 0 Commented: 0(p.917-928) <Full Text><PPT> 2202
创新要点：以随机梯度和共轭梯度方法为基础，同时考虑了功率分配和干扰消除问题。
研究方法：针对一个含有多中继节点并采用放大转发机制的两跳无线传感器网络，提出两种基于最小化误符号率准则的联合干扰消除和功率分配算法（随机梯度算法和共轭梯度算法），联合更新参数向量，使得各中继功率服从功率限制和线性接收要求。两种算法都考虑了反馈功率分配系数。注意到中继节点和目的节点在离线情况下对反馈码本是一致的，结合中继基于对信号的估计和对功率分配向量的量化得出码本，每一个目的节点从码本选取对应的序号，节点将对应的序号通过信道有限反馈传送至中继节点。基于核密度估计的概率密度函数，推导出算法理论，并给出收敛性和计算复杂度分析。
重要结论：仿真结果表明，这两种自适应算法的性能显著优于现有算法。
关键词组：协作通信；自适应滤波；误符号率；干扰消除；功率分配
Seamless handover between unicast and multicast multimedia streams
Mau-Luen Tham, Chee-Onn Chow, Yi-han Xu, Khong Neng Choong, Cheng Suan Lee
DOI: 10.1631/jzus.C1400052 Downloaded: 3085 Clicked: 14616 Cited: 0 Commented: 0(p.929-942) <Full Text><PPT> 2083
创新要点：有别于以往的分析和模拟研究，本文建立了一个实时流媒体测试平台，提出了一个标准流式传输方法。本文的设计考虑了实际限制，特别是，音频和视频缓冲器的行为均可能影响用户体验。
方法提亮：对于客户端的操作，本文设计了触发器代理和流媒体代理。触发器代理负责发起一个连接切换。因此，该切换方案属于移动端控制切换。根据可选择的连接类型（单播或多播），触发器代理将传送当前多媒体流的统一资源定位器（URL）或发出组播加入请求信息。流媒体代理从该服务器接收流媒体内容。如果是多媒体新流，它将传入的数据区分为音频和视频数据，分别转发到A/V解码器。对于服务器的操作，本文设计了请求处理器和多媒体流切换代理。请求处理器侦听传入的客户端请求，主要负责提取客户的IP地址，并与多媒体流的URL一起转发至多媒体流切换代理。多媒体流切换代理使用多媒体流的URL查找当前被传递至发出请求的用户的资源，同时获取该多媒体流的当前播放时间。随后，多媒体流切换代理将通知数据流接口，并以交替的方法将多媒体流传送给客户端。
重要结论：实验结果表明，在网络的重叠区域内，多播网络—单播网络和单播网络—多播网络的切换时间分别为56毫秒和4毫秒。依据ITU-T建议书，利用本文方法得到的视频画质被归为"好"。平均意见得分（mean opinion score, MOS）证实了视频播放流畅度。
关键词组：实验方法；多媒体会话连续性；无缝切换；单播或组播交换；多媒体流