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脑-机接口(Brain-computer Interface，BCI)系统可以将人的脑电信号转换为控制指令，实现中枢神经系统与外界设备之间的直接交互，可用于运动神经性疾病患者的辅助工具和康复治疗。与大脑认知响应密切相关的事件相关电位(Event-related Potential，ERP)是无创BCI系统的可靠输入信号，通常由视觉或听觉的刺激获得。然而，部分BCI使用者的视听觉受损或缺失或一些视听觉通路被占用的场合，限制了经典模态BCI系统的应用，此时体感通道的刺激方式成为了一个很好的选择。目前，体感ERP-BCI的研究处于起步阶段，在实验范式和通信速率等方面与现有视听觉模态的系统还有很大差距，新的刺激范式和方法的开发，将有助于促进体感BCI的研究和发展，提高其在领域内的关注度。
本文以体感ERP-BCI为研究对象，从实验范式、环境干扰对系统的影响和系统性能提升三个方面，展开了一系列研究。主要工作如下:
(1)本文提出了基于对体表不同部位选择性注意的体感电刺激ERP-BCI。在该范式中，通过在人体皮肤不同部位(双手食指和小指)施加瞬时电刺激的方式，产生基于特定外周神经选择性注意的体感诱发电位信号。在此基础上，设计并搭建了一个体感电刺激BCI在线实验平台，可以实现电刺激的准确触发、标记和实时通讯功能。进一步地，为了验证系统的可用性，开展了被试内的离线与在线实验。结果显示，基于对体表不同部位电刺激选择性注意的范式，有效诱发出了可用于解码受试者意图的ERP特征信号。15名受试者操控体感电刺激ERP-BCI系统的平均分类正确率达到77.96％,高于随机水平(25％)，且仅有一人的正确率低于70％;在线的信息传输率最高可达5.8bits/min。在线实验结果有力验证了所构建系统的有效性和可行性。这对创新体感BCI范式具有重要意义。
(2)为了验证所构建系统的稳定性，开展环境干扰对于视觉、听觉和体感模态ERP-BCI影响的研究。通过在受试者操作不同模态ERP-BCI的同时，呈现无关的单一或双通道干扰刺激，研究环境干扰对系统性能的影响。实验中，依据干扰刺激的模式和数量，设计了无干扰、两种单通道刺激干扰和双通道刺激干扰四个不同条件，采集受试者分别在有无干扰刺激条件下操控视觉、听觉和体感ERP-BCI系统的脑电数据。运用统计学分析方法，对获得的特征信号、分类正确率和信息传输率进行比较。结果显示，现有视、听模态的ERP-BCI在引入单一或双通道的干扰刺激后，ERP信号质量下降，系统识别率和信息传输率降低，特别是当有无关双通道的干扰刺激下，系统性能分别下降至无干扰时的38％和28％;而体感电刺激BCI新系统的特征成分、分类正确率和信息传输率，受干扰刺激的影响并不明显，在双通道干扰刺激的条件下，系统性能依然可以达到无干扰时的75％，显示出了在跨感觉通道刺激的环境干扰下较好的系统稳定性。这表明体感电刺激ERP-BCI具备满足实际环境对BCI需求的潜力，具有未来向日常场合推广的优势。
(3)为了进一步提高体感电刺激BCI系统的性能，我们对实验范式的参数进行了改进，重点对范式中的刺激部位、时间间隔ISI(Interstimulus Interval，ISI)以及导联组合进行了优化。首先，在单手五指和双手四指的刺激部位组合条件下，分别采集12名受试者的脑电数据，对比分析ERP信号、分类正确率和信息传输率选出较优的刺激部位组合。实验结果显示，较优的刺激部位是具有一定空间距离的体表部位组合(双手四指)。其次，采用上一实验的结果作为刺激部位，设置短、中和长(300ms、500ms和800ms)不同的ISI，通过记录和分析12名受试者使用系统的脑电，获得最佳ISI参数。实验结果显示，较优的ISI参数为500ms。最后，利用F-score算法计算15名受试者全脑导联的特征可分性得分，对得分情况进行排序后获得不同数量的导联组合，折中考虑系统便携性和分类正确率后，筛选出包含体感ERP信息最丰富的少数导联。实验结果显示，捕获体感ERP最佳的电极是位于中线及其周围8导联的组合形式，系统采用优化的导联结构时，可以取得与比全脑导联下更好的分类正确率，与常用的中线导联及经验导联组合相比，系统的信息传输率最高。以上结果表明，刺激部位组合、ISI和导联组合是影响体感电刺激BCI系统性能的重要因素，这一工作为将来构建高效便携的体感BCI系统提供思路和方向。
本论文提出一种基于体感电刺激的BCI新技术，开展了对系统可行性、稳定性及性能优化的一系列研究，可为各种不同的用户和环境条件下使用BCI提供一种新的选择，为促进体感BCI的全面发展和广泛应用奠定基础。
本文以体感ERP-BCI为研究对象，从实验范式、环境干扰对系统的影响和系统性能提升三个方面，展开了一系列研究。主要工作如下:
(1)本文提出了基于对体表不同部位选择性注意的体感电刺激ERP-BCI。在该范式中，通过在人体皮肤不同部位(双手食指和小指)施加瞬时电刺激的方式，产生基于特定外周神经选择性注意的体感诱发电位信号。在此基础上，设计并搭建了一个体感电刺激BCI在线实验平台，可以实现电刺激的准确触发、标记和实时通讯功能。进一步地，为了验证系统的可用性，开展了被试内的离线与在线实验。结果显示，基于对体表不同部位电刺激选择性注意的范式，有效诱发出了可用于解码受试者意图的ERP特征信号。15名受试者操控体感电刺激ERP-BCI系统的平均分类正确率达到77.96％,高于随机水平(25％)，且仅有一人的正确率低于70％;在线的信息传输率最高可达5.8bits/min。在线实验结果有力验证了所构建系统的有效性和可行性。这对创新体感BCI范式具有重要意义。
(2)为了验证所构建系统的稳定性，开展环境干扰对于视觉、听觉和体感模态ERP-BCI影响的研究。通过在受试者操作不同模态ERP-BCI的同时，呈现无关的单一或双通道干扰刺激，研究环境干扰对系统性能的影响。实验中，依据干扰刺激的模式和数量，设计了无干扰、两种单通道刺激干扰和双通道刺激干扰四个不同条件，采集受试者分别在有无干扰刺激条件下操控视觉、听觉和体感ERP-BCI系统的脑电数据。运用统计学分析方法，对获得的特征信号、分类正确率和信息传输率进行比较。结果显示，现有视、听模态的ERP-BCI在引入单一或双通道的干扰刺激后，ERP信号质量下降，系统识别率和信息传输率降低，特别是当有无关双通道的干扰刺激下，系统性能分别下降至无干扰时的38％和28％;而体感电刺激BCI新系统的特征成分、分类正确率和信息传输率，受干扰刺激的影响并不明显，在双通道干扰刺激的条件下，系统性能依然可以达到无干扰时的75％，显示出了在跨感觉通道刺激的环境干扰下较好的系统稳定性。这表明体感电刺激ERP-BCI具备满足实际环境对BCI需求的潜力，具有未来向日常场合推广的优势。
(3)为了进一步提高体感电刺激BCI系统的性能，我们对实验范式的参数进行了改进，重点对范式中的刺激部位、时间间隔ISI(Interstimulus Interval，ISI)以及导联组合进行了优化。首先，在单手五指和双手四指的刺激部位组合条件下，分别采集12名受试者的脑电数据，对比分析ERP信号、分类正确率和信息传输率选出较优的刺激部位组合。实验结果显示，较优的刺激部位是具有一定空间距离的体表部位组合(双手四指)。其次，采用上一实验的结果作为刺激部位，设置短、中和长(300ms、500ms和800ms)不同的ISI，通过记录和分析12名受试者使用系统的脑电，获得最佳ISI参数。实验结果显示，较优的ISI参数为500ms。最后，利用F-score算法计算15名受试者全脑导联的特征可分性得分，对得分情况进行排序后获得不同数量的导联组合，折中考虑系统便携性和分类正确率后，筛选出包含体感ERP信息最丰富的少数导联。实验结果显示，捕获体感ERP最佳的电极是位于中线及其周围8导联的组合形式，系统采用优化的导联结构时，可以取得与比全脑导联下更好的分类正确率，与常用的中线导联及经验导联组合相比，系统的信息传输率最高。以上结果表明，刺激部位组合、ISI和导联组合是影响体感电刺激BCI系统性能的重要因素，这一工作为将来构建高效便携的体感BCI系统提供思路和方向。
本论文提出一种基于体感电刺激的BCI新技术，开展了对系统可行性、稳定性及性能优化的一系列研究，可为各种不同的用户和环境条件下使用BCI提供一种新的选择，为促进体感BCI的全面发展和广泛应用奠定基础。