@phdthesis{Holz2015,
  author    = {Holz, Elisa Mira},
  title     = {Systematic evaluation of non-invasive brain-computer interfaces as assistive devices for persons with severe motor impairment based on a user-centred approach - in controlled settings and independent use},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-126334},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Brain-computer interfaces (BCIs) are devices that translate signals from the brain into control commands for applications. Within the last twenty years, BCI applications have been developed for communication, environmental control, entertainment, and substitution of motor functions. Since BCIs provide muscle independent communication and control of the environment by circumventing motor pathways, they are considered as assistive technologies for persons with neurological and neurodegenerative diseases leading to motor paralysis, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), muscular dystrophy, spinal muscular atrophy and stroke (K{\"u}bler, Kotchoubey, Kaiser, Wolpaw, \& Birbaumer, 2001). Although most researcher mention persons with severe motor impairment as target group for their BCI systems, most studies include healthy participants and studies including potential BCI end-users are sparse. Thus, there is a substantial lack of studies that investigate whether results obtained in healthy participants can be transferred to patients with neurodegenerative diseases. This clearly shows that BCI research faces a translational gap between intense BCI research and bringing BCI applications to end-users outside the lab (K{\"u}bler, Mattia, Rupp, \& Tangermann, 2013). Translational studies are needed that investigate whether BCIs can be successfully used by severely disabled end-users and whether those end-users would accept BCIs as assistive devices. Another obvious discrepancy exists between a plethora of short-term studies and a sparse number of long-term studies. BCI research thus also faces a reliability gap (K{\"u}bler, Mattia, et al., 2013). Most studies present only one BCI session, however the few studies that include several testing sessions indicate high inter- and intra-individual variance in the end-users' performance due to non-stationarity of signals. Long-term studies, however, are needed to demonstrate whether a BCI can be reliably used as assistive device over a longer period of time in the daily-life of a person. Therefore there is also a great need for reliability studies. The purpose of the present thesis was to address these research gaps and to bring BCIs closer to end-users in need, especially into their daily-lives, following a user-centred design (UCD). The UCD was suggested as theoretical framework for bringing BCIs to end-users by K{\"u}bler and colleagues (K{\"u}bler et al., 2014; Zickler et al., 2011). This approach aims at the close and iterative interaction between BCI developers and end-users with the final goal to develop BCI systems that are accepted as assistive devices by end-users. The UCD focuses on usability, that is, how well a BCI technology matches the purpose and meets the needs and requirements of the targeted end-users and was standardized with the ISO 9241-210. Within the UCD framework, usability of a device can be defined with regard to its effectiveness, efficiency and satisfaction. These aspects were operationalized by K{\"u}bler and colleagues to evaluate BCI-controlled applications. As suggested by Vaughan and colleagues, the number of BCI sessions, the total usage duration and the impact of the BCI on the life of the person can be considered as indicators of usefulness of the BCI in long-term daily-life use (Vaughan, Sellers, \& Wolpaw, 2012). These definitions and metrics for usability and usefulness were applied for evaluating BCI applications as assistive devices in controlled settings and independent use. Three different BCI applications were tested and evaluated by in total N=10 end-users: In study 1 a motor-imagery (MI) based BCI for gaming was tested by four end-users with severe motor impairment. In study 2, a hybrid P300 event-related (ERP) based BCI for communication was tested by four severely motor restricted end-users with severe motor impairment. Study 1 and 2 are short-term studies conducted in a controlled-setting. In study 3 a P300-ERP BCI for creative expression was installed for long-term independent use at the homes of two end-users in the locked-in state. Both end-users are artists who had gradually lost the ability to paint after being diagnosed with ALS. Results reveal that BCI controlled devices are accepted as assistive devices. Main obstacles for daily-life use were the not very aesthetic design of the EEG-cap and electrodes (cap is eye-catching and looks medical), low comfort (cables disturb, immobility, electrodes press against head if lying on a head cushion), complicated and time-consuming adjustment, low efficiency and low effectiveness, and not very high reliability (many influencing factors). While effectiveness and efficiency in the MI based BCI were lower compared to applications using the P300-ERP as input channel, the MI controlled gaming application was nevertheless better accepted by the end-users and end-users would rather like to use it compared to the communication applications. Thus, malfunctioning and errors, low speed, and the EEG cap are rather tolerated in gaming applications, compared to communication devices. Since communication is essential for daily-life, it has to be fast and reliable. BCIs for communication, at the current state of the art, are not considered competitive with other assistive devices, if other devices, such as eye-gaze, are still an option. However BCIs might be an option when controlling an application for entertainment in daily-life, if communication is still available. Results demonstrate that BCI is adopted in daily-life if it matches the end-users needs and requirements. Brain Painting serves as best representative, as it matches the artists' need for creative expression. Caveats such as uncomfortable cap, dependence on others for set-up, and experienced low control are tolerated and do not prevent BCI use on a daily basis. Also end-users in real need of means for communication, such as persons in the locked-in state with unreliable eye-movement or no means for independent communication, do accept obstacles of the BCI, as it is the last or only solution to communicate or control devices. Thus, these aspects are "no real obstacles" but rather "challenges" that do not prevent end-users to use the BCI in their daily-lives. For instance, one end-user, who uses a BCI in her daily-life, stated: "I don't care about aesthetic design of EEG cap and electrodes nor amplifier". Thus, the question is not which system is superior to the other, but which system is best for an individual user with specific symptoms, needs, requirements, existing assistive solutions, support by caregivers/family etc.; it is thereby a question of indication. These factors seem to be better "predictors" for adoption of a BCI in daily-life, than common usability criterions such as effectiveness or efficiency. The face valid measures of daily-life demonstrate that BCI-controlled applications can be used in daily-life for more than 3 years, with high satisfaction for the end-users, without experts being present and despite a decrease in the amplitude of the P300 signal. Brain Painting re-enabled both artists to be creatively active in their home environment and thus improved their feelings of happiness, usefulness, self-esteem, well-being, and consequently quality of life and supports social inclusion. This thesis suggests that BCIs are valuable tools for people in the locked-in state.},
  subject      = {Gehirn-Computer-Schnittstelle},
  language  = {en}
}
@phdthesis{JagiellowiczKaufmann2016,
  author    = {Jagiellowicz-Kaufmann, Monika Sarah},
  title     = {Akzeptable und effektive Pedal- und Motorkennlinien zur Unterst{\"u}tzung von Eco-Driving im Elektrofahrzeug},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-137031},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Die begrenzte Reichweite ist einer der Hauptgr{\"u}nde f{\"u}r das derzeitige mangelnde Kaufinteresse an Elektrofahrzeugen. Neben rein komponentenoptimierenden Maßnahmen, wie der Verbesserung der Batterie, ist die F{\"o}rderung von Eco-Driving, also einer energieeffizienten Fahrweise, ein effektiver Ansatz zur Steigerung der Reichweite. Trainings und visuell dargebotene Eco-Assistenten k{\"o}nnen Eco-Driving wirksam steigern, sch{\"o}pfen aber nicht dessen gesamtes Potential aus. Angepasste Pedal- und Motorkennlinien k{\"o}nnten Eco-Driving zus{\"a}tzlich f{\"o}rdern. F{\"u}r deren Bewertung sind die Wirksamkeit und Akzeptanz bisher nicht gemeinsam ber{\"u}cksichtig worden oder sie wurden nicht im Elektrofahrzeug evaluiert und validiert. Zu diesen Anpassungen z{\"a}hlen eine Ver{\"a}nderung des Beschleunigungspedals, sodass mit diesem gleichzeitig beschleunigt und rekuperiert werden kann, die Limitierung von Drehmoment und Leistung und der Einsatz eines aktiven Beschleunigungspedals, welches Widerst{\"a}nde abh{\"a}ngig von Fahrzeug- oder Situationsparametern aktiviert. F{\"u}r diese Arbeit habe ich daher die Pedal- und Motorkennlinien entsprechend angepasst und in ein validiertes Elektroautomodell implementiert. Ziel war es, verschiedene Fahrverhaltensbereiche im Elektrofahrzeug, die Eco-Driving kennzeichnen (energieoptimales Beschleunigen und Verz{\"o}gern, Einhalten von Geschwindigkeitsbegrenzungen, vorausschauendes Fahren), benutzerfreundlich, akzeptabel und wirksam zu unterst{\"u}tzen. Zu diesem Zweck habe ich vier Probandenstudien im bewegten Fahrsimulator durchgef{\"u}hrt und geeignete Pedal- und Motorkennlinien empirisch bestimmt. In der ersten Studie habe ich untersucht, ob und warum eine Pedalkennlinie zu bevorzugen ist, bei der mit dem Beschleunigungspedal anstelle des Bremspedals rekuperiert wird. Das Ziel der zweiten Studie war es, eine geeignete Rekuperationsst{\"a}rke f{\"u}r ein kombiniertes Beschleunigungspedal, bei dem mit dem Beschleunigungspedal rekuperiert wird, zu bestimmen. In der dritten Studie habe ich evaluiert, ob die Limitierung der Leistung oder die des Drehmoments zu bevorzugen ist, um das Beschleunigungsverhalten zu optimieren und wie stark die Limitierungen optimaler Weise sein sollten. Basierend auf den Ergebnissen der dritten Studie, habe ich schließlich einen optimierten Limitierungsansatz konzipiert, diesen mit einem aktiven Beschleunigungspedal verglichen und bestimmt, welcher Ansatz zu bevorzugen ist. Aufgrund der Studienergebnisse werden folgende Ans{\"a}tze f{\"u}r die jeweiligen Eco-Driving-Fahrverhaltensbereiche empfohlen und es werden folgende Gestaltungsempfehlungen abgeleitet: Zur F{\"o}rderung eines energieeffizienten Beschleunigungsverhaltens ist die Limitierung von Drehmoment und Leistung geeignet. Die Limitierung des Drehmoments ist hierbei besonders wirksam in geringen, die Limitierung der maximalen Leistung in h{\"o}heren Geschwindigkeitsbereichen. Zu empfehlen sind parallele mittelstarke Limitierungen von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung, die Beschleunigungen mit 2.0 m/s² erlauben, bei gleichzeitiger Bereitstellung eines Kick-Downs. Ein aktives Beschleunigungspedal ist insbesondere aus Gr{\"u}nden der Benutzerfreundlichkeit zur F{\"o}rderung eines energieeffizienten Beschleunigungsverhaltens nur eingeschr{\"a}nkt empfehlenswert. Zur F{\"o}rderung eines energieeffizienten Verz{\"o}gerungsverhaltens wird die Implementierung der Rekuperationsfunktion auf dem Beschleunigungspedal anstelle des Bremspedals empfohlen, da dies einerseits erm{\"o}glicht, auf hydraulisches Bremsen zu verzichten und gleichzeitig mehr Energie rekuperiert werden kann. Ersteres tr{\"a}gt zu einer hohen Akzeptanz bei, letzteres zu einer g{\"u}nstigen Energiebilanz. Besonders effektiv und akzeptabel ist ein kombiniertes Fahrbremspedal, wenn es eine starke Rekuperation erm{\"o}glicht (zwischen -1.7 und -2.1 m/s²). Weiterhin ist ein aktives Beschleunigungspedal, das den geeigneten Zeitpunkt f{\"u}r eine maximal energieeffiziente Verz{\"o}gerung mit einem kombinierten Fahrbremspedal anzeigt, wirksam, um die rekuperierte Energie zu steigern. Auf diese Weise kann zudem eine vorausschauende Fahrweise unterst{\"u}tzt werden. Hierbei muss jedoch die Funktionalit{\"a}t und Benutzerfreundlichkeit optimiert werden, um eine gesteigerte kognitive Fahrerbeanspruchung und Minderungen der Akzeptanz zu vermeiden. Zur Unterst{\"u}tzung der Einhaltung von Geschwindigkeitsbegrenzungen ist ebenfalls das aktive Beschleunigungspedal geeignet. Der Fahrer sollte hierbei aber die M{\"o}glichkeit haben, individuell Grenzwerte einzustellen. Die Verkn{\"u}pfung eines kombinierten Fahrbremspedals mit einer Limitierung von Drehmoment und Leistung sowie einem aktiven Beschleunigungspedal kann abschließend, unter Ber{\"u}cksichtigung der abgeleiteten Gestaltungsempfehlungen, als effektive und akzeptable M{\"o}glichkeit zur F{\"o}rderung unterschiedlicher Verhaltensbereiche von Eco-Driving bewertet werden. Die erwarteten Synergieeffekte der evaluierten Ans{\"a}tze in Verbindung mit Eco-Trainings und visuell dargebotenen Eco-Feedback-Assistenten sowie deren Langfristigkeit sollten Gegenstand weiterf{\"u}hrender Forschung sein.},
  subject      = {Elektrofahrzeug},
  language  = {de}
}