脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）能够提供一种非神经肌肉传导的通道，直接把从人头皮上采集到的脑电（Electroencephalography，EEG）信号转换成计算机或其他外部设备的控制指令，从而为运动功能障碍残疾人提供一种与外界交流或控制外部设备的方式。如何提高脑机接口的性能，是BCI研究领域的一个重要问题。而且还有很多潜在的应用，如轮椅和神经假肢的控制，严重意识障碍患者的意识状态评定等。本文的主要目标是研究更快速、更准确和更人性化的高性能脑机接口，并实现基于P300和SSVEP的高性能脑机接口在神经功能辅助和意识状态检测中的应用。本文首先研究P300脑机接口的刺激范式。本文比较了单项显示（Single Display，SD）和基于区域（Region-based，RB）的P300刺激范式。12个受试者分别使用两种P300刺激范式的字符输入系统进行了一个字符输入实验。实验结果表明，RB字符输入系统相比SD字符输入系统获得更高的在线准确率。而在进一步的数据分析中，包括P300检测、ERP波形以及Fisher比率，P300电位在RB刺激范式中都得到了增强，从而得到更好的字符输入性能。这种P300电位的增强是由于在刺激范式中邻接字符的距离增大和干扰减少。本文建议在进行P300及其他视觉刺激范式的设计时，应该同时考虑刺激出现的概率以及邻接刺激的距离这两个因素。然后，本文研究基于稳态视觉诱发电位（Steady State Visual Evoked Potential，SSVEP）的异步脑机接口，重点研究控制状态和空闲状态的区分。本文提出了一个基于伪键的的异步SSVEP脑开关。不同于以往没有伪键的脑开关，控制状态和空闲状态的检测是基于阈值条件和比较条件。特别地，引入的伪键与目标键之间的比较条件能明显提高控制状态和空闲状态的可分性。在实验中，本文比较了没有伪键脑开关和基于伪键脑开关的性能。结果表明基于伪键的脑开关能获得更好的性能（准确率86.67%，真阳性率7.49次/分钟，假阳性率0.98次/分钟）。利用该研究成果，我们在首届中国脑机接口比赛中获得了开关量控制项目的第二名。接下来，本文提出了一种结合P300和SSVEP的异步多模态脑机接口。该多模态脑机接口同时通过SSVEP和P300的检测来实现状态控制和目标选择。实验结果表明我们的多模态脑机接口能同时产生SSVEP和P300电位，并且提高了控制/空闲状态的检测性能。在脑控轮椅中，一个重要而困难的任务是实现一个既快又准的停止按钮。本文利用该多模态脑机接口实现了一个用于真实轮椅控制的”启动/停止”命令。在线的轮椅实验结果（反应时间5.28秒，错误触发率0.52次/分钟）证明了该系统的有效性。最后，本文把基于P300和SSVEP的多模态脑机接口应用到严重意识障碍患者的诊断中。本文提出了一种基于多模态视觉刺激的意识状态检测范式。多模态脑机接口通过检测患者的P300和SSVEP来确定他们是否能识别系统指定的目标（自己的相片或别人的相片）。本文通过该范式来检测意识障碍患者听从命令的能力。8位意识障碍患者参加了意识状态检测的实验。其中，3位患者能使用本文的多模态脑机接口来听从命令（准确率70%-78%），并同时产生了P300和SSVEP反应。这表明这3位患者通过本文提出的脑机接口系统能检测到存留的认知功能和意识。