Next-generation BCI spellers: a comparative study of ERP responses and fatigue in mixed, virtual, and desktop realities

2025

Полный текст Открытый доступ: Gold Метаданные (CSL-JSON)
DOI 10.1007/s10055-025-01286-y
Достоверность данных 70 средняя
Как считается эта оценка

Складывается из проверяемых признаков самой записи: есть ли у статьи DOI, сколько независимых источников подтвердили её данные, заполнены ли обязательные поля и насколько свежо последнее подтверждение. Снижают оценку расхождения между источниками и отсутствие идентификатора. Значение от 80 означает, что запись опубликована без дополнительной проверки; от 60 до 79 — что она опубликована с пониженной достоверностью и ручная проверка желательна. Запись, выверенную редактором вручную, пересчёт не опускает ниже 90. Это оценка наших данных о статье, а не оценка самой статьи.

Аннотация

Abstract This study provides critical insights into next-generation BCI systems, specifically addressing the challenges of visual and physical fatigue, as well as performance limitations, in VR and MR environments. Conventional Event-Related Potential (ERP)-based spellers typically rely on two-dimensional visual stimuli presented on desktop LED screens. With the emergence of immersive head-mounted displays (HMDs), there is growing interest in integrating ( VR ) and ( MR ) into brain-computer interface (BCI) systems. In this study, we implemented ERP speller systems across Desktop, VR , and MR environments, evaluating (1) P300/N200 mean amplitudes, (2) spelling performance, and (3) physiological and physical fatigue. Using Linear Discriminant Analysis (LDA) alongside Random Forest (RF), k-Nearest Neighbors (kNN), and XGBoost classifiers, we found that the Desktop environment shows higher P300 and N200 amplitudes, achieving a spelling accuracy of 75% and an Information Transfer Rate (ITR) of 26.1 bits/min, compared to MR (63.4% accuracy, 20.5 bits/min) and VR (60.8% accuracy, 19.8 bits/min). Cross-session experiments, analyzed via two-sided paired t -tests, revealed stable P300 signals in Desktop settings but significant performance declines in VR and MR during prolonged use. Symptom questionnaires indicated that MR induced the highest visual fatigue, while VR caused the most physical fatigue. These findings highlight critical challenges in VR / MR BCI systems, including visual and physical stress and performance degradation, while demonstrating the potential of MR -P300 spellers for applications in neurorehabilitation and assistive communication for motor-impaired individuals. Our results underscore the need for optimized 3D rendering, adaptive user-system mechanisms, and advanced machine learning to enhance next-generation BCI performance in immersive environments.