Brain-Computer Interfaces (2004)

Die vorliegende Dissertation beschreibt Ergebnisse der Arbeit, durchgeführt am Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik (FIRST), insbesondere bei der Forschungsgruppe für Intelligente Datenanalyse (IDA), im Rahmen des Projektes "Brain-Computer Interface" (BCI). Das angestrebte Ziel des aktuell laufenden Projektes ist es, ein Hardware- und Software-System zu entwerfen und zu entwickeln, das in der Lage ist elektroencephalographische (EEG)Signale(gewonnen auf eine nicht-invasive Art, mit Hilfe der Oberflächenelektroden, die über dem Kopf des Benutzers angebracht sind), in Echtzeit in spezielle Kommandos umzuwandeln, so dass für den Probanden eine verlässliche Steuerung einer Computeranwendung, bzw. eines Gerätes ermöglicht wird. Die Steuerung einer Computeranwendung soll im Rahmen dieser Arbeit in Form von einfachen Computerspielen (Ping-Pong, Pacman, Tetris) repräsentiert werden, im Weiteren bezeichnet als "Brain-Gaming". Hierzu sind fundierte Überlegungen zum Entwurf und Realisierung einer Kommunikationsschnittstelle und des zugehörigen Protokolls angestellt worden. Ein weiterer wichtiger Bestandteil jeder Steuerung ist deren Strategie und der Befehlssatz der Anwendung. So wurden mehrere Strategien entwickelt, implementiert und in verschiedenen Szenarien experimentell erprobt. Die Flexibilität der Steuerungsschnittstelle stellte sich als einer der wichtigsten Aspekte beim Entwurf und der Entwicklung von Rückkopplungsanwendungen. Bei der Steuerung eines Gerätes kann es sich um das Lenken und Bewegen eines Rollstuhls, z.B. für querschnittsgelehmte Patienten, oder um das Bewegen einer Arm-, bzw. Beinprothese für Patienten mit amputierten Extremitäten handeln. Dies wurde vorerst als Simulation einer Extremität (Arm) auf dem Computer-Bildschirm realisiert, so dass es in zukünftigen Experimenten an bedürftigen Patienten getestet werden kann. Im Gegensatz zu Brain-Gaming Experimenten, bei denen der Spieler mit einem zusätzlichen Kommunikationskanal (der unabhängig von anderen normalen Kanälen des menschlichen neuromuskulären Systems ist) ausgestattet wird, stellen die Experimente an Patienten keine Anforderung an die ultra-schnelle Erkennung der Bewegungsabsicht; So kann das Steuersignal zur Ausführung einer simulierten Bewegung auch nach dem Auslösen der eigentlichen Phantombewegung, sogar nach deren Ausführung, erkannt werden. In Experimenten mit Feedback-Szenarien, die kompetitiven Spielen ähneln, können verschiedene Aspekte der ultraschnellen Erkennung einer Bewegungsintension mit Hilfe von Reaktionstests untersucht werden. Dieses eröffnet neue Perspektiven bei der Ausführung von Präventivmaßnahmen in zeitkritischen Anwendungen. Diese Dissertation, sowie die Entwicklung und Implementierung des Prototyps basiert auf fundierten Erkenntnissen der Neurophysiologie; Ein ausgewähltes Kapitel dieser Dissertation verschafft deshalb tieferen Einblick in die menschliche Neurophysiologie. Ferner, beschreibt ein gesondertes Kapitel dieser Dissertation die Entwicklung und Implementierung eines online Prototyps " des BBCI-Systems (Berliner Brain-Computer Interface) " in dessen Einzelkomponenten und der Gesamtheit aus dem Sichtpunkt der Softwaretechnik. Im Rahmen der Arbeit wurden mehrere Rückkopplungsmodule (Bio-Feedback), sowohl spielerischen Charakters, als auch zu Rehabilitationszwecken entwickelt, die hier im Detail vorgestellt werden. Mit besonderer Aufmerksamkeit wurde der Einfluss des online Bio-Feedbacks auf den Probanden untersucht.