随着我国人口老龄化加剧,完全失能老年人口数量逐年攀升。此外,由于神经和肌骨系统病变、自然灾害、交通事故等导致的残障完全失能患者也在逐年增多。上述原因导致我国完全失能患者群体日益庞大,其占我国人口总数的比重也呈上升趋势。为了维持完全失能患者的日常生活,患者家庭和社会面临沉重的负担和严峻的考验,如何帮助完全失能患者实现生活自理以及与外界的沟通和交流,是一个亟待解决的重大社会问题。本文从头部电磁信息的物理特性出发,利用具有空间分布特征的磁信息和具有集中参数特征的电信息,包括用于定位舌动的标记磁信号、眼动伴随产生的生理电信号和大脑思维活动伴随产生的脑电、脑磁信号,开展了基于头部电磁信息反演的人机交互系统控制指令提取方法研究。为了解决如何快速获得高精度、多模式的控制指令等关键问题,本文在理论研究的基础上,利用仿真和实验进行了验证,并开展了辅助人机交互系统应用研究：针对基于磁标记舌机接口的入机交互系统控制指令提取面临的快速性、高精度要求,提出了基于封闭解析解模型的快速高精度磁源定位方法；针对基于混合生理电信号的人机交互系统控制指令提取面临的多模式要求,提出了基于单通道干电极生理电信号时/频域信息的多模式特征信号识别方法；针对基于脑磁图技术的人机交互系统控制指令提取面临的高精度要求,提出了基于无旋空间磁场重构的高精度磁源空间位置分布特征提取方法。论文主要研究内容包括：第1章,阐述了论文的研究背景与意义,详细介绍了当前国内外服务于不同程度完全失能患者的辅助人机交互技术,包括舌机接口、眼机接口和脑机接口,综述了其控制指令提取方法的研究现状和发展方向,提出了论文的主要研究内容。第2章,系统研究了基于电磁信息反演的特征信号提取方法的相关理论基础。首先,针对磁标记舌机接口中磁源空间分布特征信号提取,提出了基于封闭解析解模型的磁源定位方法：设计了磁源磁偶极矩方向固定机构,在此基础上,提出了封闭解析解的磁源定位反解模型,并解决了反解模型的唯一解以及传感器系统标定等问题,实现了快速、高精度的磁源定位。其次,针对混合生理电信号人机交互的集中参数特征信号提取,提出了基于单通道干电极混合生理电信号时/频域信息的多模式控制指令提取方法：基于时域幅值和时间参数,设计了轻/重眨眼特征信号识别算法；基于频域Alpha节律脑电波功率谱分布,设计了集中度脑电特征信号识别算法,实现了多模式生理电信号的特征提取。最后,针对基于脑磁图技术的脑机接口中脑磁源空间分布特征信号提取,提出了基于空间磁场重构的磁源空间分布特征提取方法：利用无源空间磁场的无旋特性,以标量磁势拉普拉斯方程作为重构基本微分方程,以测量信息作为边界条件开展无旋磁场重构研究；针对重构过程,开展了基于多项式拟合的边界条件插值加密方法研究,以及基于磁源反解改善率和重构磁场梯度分布的重构信息筛选准则研究；利用非线性优化理论求解磁源空间分布特征参数,实现了高精度的磁源反演。第3章,基于电磁信息反演人机交互系统控制指令提取的理论研究,利用仿真和实验进行了验证研究。首先,以永磁体标记磁源为研究对象,开展基于封闭解析解模型的磁源定位方法实验验证,搭建磁源磁偶极矩方向竖直保持机构以及传感器测量系统,实现了不同运动模式下,快速高精度磁源位置追踪。其次,利用单通道干电极装备搭建了生理电信号采集系统,设计了面向个体差异性的特征信号识别参数预标定范式,以肢体健全志愿者和肢体残障志愿者为受试对象,开展人体实验验证。最后,以具有通用性的磁偶极子模型为研究对象,开展基于磁场重构的磁源空间分布特征参数反演方法的仿真验证研究,表明了重构过程对测量信息夹杂噪声的平滑作用以及磁源定位精度的改善作用。第4章,基于头部电磁信息反演提取的控制指令,开展了辅助人机交互系统应用研究。首先,基于单通道干电极设备获得量化的眨眼诱发生理电信号强度,通过阈值判定提取控制指令,开展基于眼机接口人机交互系统的电动轮椅控制应用研究。其次,基于本文提出的混合生理电信号集中参数控制指令提取方法,开展基于混合脑机接口的六自由度机械手控制应用研究,并基于多模式控制指令提出了复合控制策略,提高了系统的自动化水平以及执行效率。最后,针对基于脑磁图技术的人机交互系统应用,开展基于空间磁场重构的脑磁源反演方法研究,通过多项式拟合插值方法从测量所得稀疏头表磁场分布获得加密的边界条件,实现头外无旋空间磁场重构,并利用重构磁场的梯度分布特性筛选获得具有高保真度的重构磁场信息,结合脑磁源反演非线性优化算法,为基于脑磁图技术的人机交互系统提供更准确的控制指令。第5章,总结了论文的主要研究工作和创新点,并对未来的研究工作进行了展望。