Kapazitives EEG-Helmsystem für BCI-Anwendungen

Gerloff, Marianne

Brain-Computer Interfaces (BCI) sind Systeme, die ohne Nutzung des peripheren Nervensystems, d.h. ohne Bewegung der Extremitäten oder Bildung von Sprachlauten, die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglichen. Sie stellen eine direkte Verbindung zwischen Gehirnsignalen und einem externen ausführenden Gerät her. Bei Patienten mit dem Locked-In-Syndrom oder Querschnittslähmung ist in vielen Fällen nur mit Hilfe solcher Systeme eine Kommunikation mit der Umwelt möglich, Anwendungen sind darüber hinaus im Bereich der Steuerung von Maschinen oder Computerspielen angesiedelt. Aufgrund hoher Zeitauflösung und unmittelbarer Wiedergabe neuronaler Prozesse werden die zugrundeliegenden Gehirnsignale in dieser Arbeit mittels nicht-invasiver kapazitiver Elektroenzephalografie (cEEG) direkt an der Kopfoberfläche aufgenommen. Die Elektroden sind in einen Helm integriert, der im 3D-Druck hergestellt wurde. Die anwendungsbezogene Entwicklung des kabellosen 25-Kanal cEEG-Helms stellt somit einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Nach Übertragung der Daten an einen PC setzt die entwickelte Software diese in Steuerungsbefehle um, die der Nutzer mittels Biofeedback kontrollieren kann. In dieser Arbeit steht die Umsetzung einer Schreibanwendung (Speller) mittels Steady-State Visually Evoked Potentials (SSVEP) im Vordergrund. Hierbei werden die zu messenden Signale visuell durch Schachbrettmusterumkehrstimulation evoziert. Um optimale Funktionalität zu gewährleisten, ist eine Anpassung der Stimulation und softwareseitigen Datenverarbeitung auf den jeweiligen Nutzer notwendig. Dies wurde mittels Color-Frequency Scan (CFS) nachgewiesen und durchgeführt. Hierbei wird überprüft, wie unterschiedlich das Gehirn des Nutzers Signale mit verschiedenen Farben und Frequenzen verarbeitet und wie demzufolge die für eine Anwendungssteuerung am besten zu verwendenden Signale hervorzurufen sind. Aufgrund der Betrachtung der verschiedenen Schnittstellen und Teilprozesse des Gesamtsystems entstand eine interdisziplinäre Arbeit, die neben elektrotechnischen auch designbezogene sowie mechanische und medizinische Fragestellungen umfasst. BCI ist mit seiner Vielzahl an Anwendungsgebieten somit ein Thema der Zukunft, jedoch wird man sich jenseits der reinen Forschung und Entwicklung auch den ethischen Fragestellungen nicht entziehen können, die die Identifikation und Umsetzung des menschlichen Willens ohne sichtbaren Impuls ausschließlich über Gehirnsignale mit sich bringt.

Brain-Computer Interfaces (BCI) are novel additional communication systems between human and machine, which means between human and his environment. They work without using the peripheral nervous system, thus without moving extremities or using language. Instead, they allow sending commands from brain to computer directly. For patients with locked in syndrome or paraplegia, this is in many cases the only way to communicate with their environment. Further applications could be for machine control or computer games. Due to high time resolution and direct reflection of neural processes, in this work non-invasive capacitive electroencephalography (cEEG) is used for signal acquisition directly at the head surface. The electrodes are integrated in a helmet, made by rapidprototyping. The applied development of the wireless 25-channel cEEG helmet is therefore one key aspect of this work. After data transfer to a PC, the developed software translates them into control commands. Their execution gives a biofeedback to the user, with it he can keep the control over the complete system. In this work, the realization of an application for writing (speller) by steady-state visually evoked potentials (SSVEP) is in focus. The measured signals are visually evoked by a flickering checkerboard pattern. For optimal functionality, adjustment of stimulation and software based data analysis to the particular user is necessary. This was proven by color-frequency scans (CFS). Here, individual reactions of the brain to signals with different colors and frequencies are evaluated and best combinations for application control are identified. Due to consideration of different interfaces and subprocesses of the complete system, a multidisciplinary work emerged. It covers electrotechnical and design-based as well as mechanical and medical challenges. Thus, BCI is with its multitude of application areas a promising topic, however the ethical questions have to be focused as well. They arise essentially with the identification and realization of human will without visual impulse exclusively by brain signals.

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Gerloff, Marianne: Kapazitives EEG-Helmsystem für BCI-Anwendungen. Berlin 2017. Mensch und Buch.

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