TY  - THES
A1  - Käthner, Ivo R. J.
T1  - Auditory and visual brain-computer interfaces as communication aids for persons with severe paralysis
T1  - Akustische und visuelle Gehirn-Computer Schnittstellen als Kommunikationshilfen für Menschen mit schweren Muskellähmungen
N2  - Brain-computer interfaces (BCIs) could provide a muscle-independent communication channel to persons with severe paralysis by translating brain activity into device commands. As a means of communication, in particular BCIs based on event-related potentials (ERPs) as control signal have been researched. Most of these BCIs rely on visual stimulation and have been investigated with healthy participants in controlled laboratory environments. In proof-of-principle studies targeted end users gained control over BCI systems; however, these systems are not yet established as an assistive technology for persons who would most benefit from them. The main aim of this thesis is to advance the usability of ERP-BCIs for target users. To this end, five studies with BCIs have been conducted that enabled users to communicate by focusing their attention on external stimuli.
Two studies were conducted in order to demonstrate the advantages and to further improve the practical application of visual BCIs. In the first study, mental workload was experimentally manipulated during prolonged BCI operation. The study showed the robustness of the visual ERP-BCI since users maintained a satisfactory level of control despite constant distraction in the form of background noise. Moreover, neurophysiological markers that could potentially serve as indicators of high mental workload or fatigue were revealed. This is a first step towards future applications in which the BCI could adapt to the mental state of the user (e.g. pauses if high mental workload is detected to prevent false selections). In the second study, a head-mounted display (HMD), which assures that stimuli are presented in the field of view of the user, was evaluated. High accuracies and information transfer rates, similar to a conventional display, were achieved by healthy participants during a spelling task. Furthermore, a person in the locked-in state (LIS) gained control over the BCI using the HMD. The HMD might be particularly suited for initial communication attempts with persons in the LIS in situations, where mounting a conventional monitor is difficult or not feasible.
Visual ERP-BCIs could prove valuable for persons with residual control over eye muscles and sufficient vision. However, since a substantial number of target users have limited control over eye movements and/or visual impairments, BCIs based on non-visual modalities are required. Therefore, a main aspect of this thesis was to improve an auditory paradigm that should enable motor impaired users to spell by focusing attention on different tones. The two conducted studies revealed that healthy participants were able to achieve high spelling performance with the BCI already in the first session and stress the importance of the choice of the stimulus material. The employed natural tones resulted in an increase in performance compared to a previous study that used artificial tones as stimuli. Furthermore, three out of five users with a varying degree of motor impairments could gain control over the system within the five conducted sessions. Their performance increased significantly from the first to the fifth session - an effect not previously observed for visual ERP-BCIs. Hence, training is particularly important when testing auditory multiclass BCIs with potential users.
A prerequisite for user satisfaction is that the BCI technology matches user requirements. In this context, it is important to compare BCIs with already established assistive technology. Thus, the fifth study of this dissertation evaluated gaze dependent methods (EOG, eye tracking) as possible control signals for assistive technology and a binary auditory BCI with a person in the locked-in state. The study participant gained control over all tested systems and rated the ease of use of the BCI as the highest among the tested alternatives, but also rated it as the most tiring due to the high amount of attention that was needed for a simple selection. Further efforts are necessary to simplify operation of the BCI.
The involvement of end users in all steps of the design and development process of BCIs will increase the likelihood that they can eventually be used as assistive technology in daily life. The work presented in this thesis is a substantial contribution towards the goal of re-enabling communication to users who cannot rely on motor activity to convey their thoughts.
N2  - Gehirn-Computer Schnittstellen (engl. brain-computer interfaces, BCIs) könnten Menschen mit schweren Muskellähmungen muskelunabhängige Kommunikation ermöglichen, indem sie Gehirnaktivität in Steuerungsbefehle übersetzen. Zu Kommunikationszwecken wurden insbesondere BCIs erforscht, die auf ereigniskorrelierten Potenzialen (EKPs) als Steuerungssignal beruhen. Die Mehrzahl dieser BCIs basiert auf visuellen Paradigmen und wurde unter kontrollierten Laborbedingungen mit gesunden Versuchsteilnehmern untersucht. In Machbarkeitsstudien konnten auch Menschen mit schweren Muskellähmungen Kontrolle erlangen. Jedoch sind BCIs noch nicht im Alltag als Hilfsmittel für diejenigen etabliert, die am meisten von ihnen profitieren würden. Die Gebrauchstauglichkeit für diese Zielgruppe zu erhöhen, ist das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Zu diesem Zweck wurden fünf Studien mit BCIs durchgeführt, die Nutzern durch die Aufmerksamkeitsfokussierung auf externe Reize ermöglichen zu kommunizieren.
Um die Vorteile der visuellen Paradigmen zu zeigen und die praktische Anwendbarkeit weiter zu verbessern, wurden zwei Studien durchgeführt. In der ersten Studie wurde die mentale Arbeitsbelastung während längerer Benutzung eines BCI experimentell manipuliert. Die Studie demonstrierte die Robustheit des EKP-BCI. Nutzer konnten trotz konstanter Ablenkung durch Hintergrundgeräusche ein zufriedenstellendes Kontrollniveau aufrechterhalten. Darüber hinaus wurden neurophysiologische Marker gefunden, die als Indikatoren hoher mentaler Arbeitsbelastung oder Ermüdung dienen können. Dies ist ein erster Schritt hin zu Anwendungen, bei denen sich das BCI dem mentalen Zustand des Benutzers anpasst (z.B. indem die Anwendung pausiert, wenn hohe Arbeitsbelastung detektiert wird, um Falschauswahlen zu verhindern). In der zweiten Studie wurde ein Head- Mounted Display (HMD) evaluiert, welches sicherstellt, dass alle Stimuli im Gesichtsfeld des Nutzers angezeigt werden. Dabei wurden von gesunden Versuchsteilnehmern hohe Genauigkeiten und Informationstransferraten beim Schreiben von Wörtern erzielt, vergleichbar mit denen eines herkömmlichen Bildschirms. Zusätzlich erlangte ein Nutzer im Locked-in-Zustand Kontrolle über das BCI mittels des HMD. Das HMD könnte sich insbesondere für initiale Kommunikationsversuche für Personen im Locked-in-Zustand eignen, wenn sich das Aufstellen eines konventionellen Bildschirms als schwierig oder unmöglich erweist.
Visuelle EKP-BCIs könnten sich insgesamt als wertvoll für Personen herausstellen, die noch ihre Augenbewegungen kontrollieren können und über ausreichend Sehkraft verfügen. Da eine nicht unerhebliche Zahl von potenziellen Endbenutzern jedoch eingeschränkte Kontrolle über Augenbewegungen und/oder Sehbeeinträchtigungen hat, sind BCIs notwendig, die auf nicht-visuellen Modalitäten beruhen. Im Rahmen dieser Arbeit lag ein Fokus deshalb auf der Weiterentwicklung eines akustischen Paradigmas, welches Nutzern mit motorischen Einschränkungen das Buchstabieren durch die Aufmerksamkeitsfokussierung auf verschiedene Töne ermöglichen soll. Die beiden hierzu durchgeführten Studien zeigten, dass gesunde Versuchsteilnehmer bereits in der ersten Sitzung hohe Buchstabiergenauigkeiten erzielen konnten. Zudem unterstreichen diese Studien die Wichtigkeit der Wahl der Stimuli. Die in den beiden Studien verwendeten natürlichen Geräusche, führten zu einer Leistungsverbesserung verglichen mit einer vorausgegangenen Studie, die künstliche Töne verwendete. Darüber hinaus konnten drei von fünf Nutzern mit Muskellähmungen innerhalb von fünf Sitzungen Kontrolle über das System erlangen. Für die drei Nutzer war die Leistung in der fünften Sitzung dabei deutlich höher als in der ersten. Ein solcher Trainingseffekt wurde mit visuellen Paradigmen in vorausgegangenen Studien bisher nicht berichtet. Dieses Ergebnis betont daher die Bedeutsamkeit von Training während der Erprobung von
akustischen Multi-Klassen-BCIs mit Endbenutzern.
Eine Grundvoraussetzung für Nutzerzufriedenheit ist, dass die BCI Technologie den Bedürfnissen der Nutzer entspricht. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, BCIs mit bereits etablierten Hilfsmitteln zu vergleichen. Daher wurden in der fünften Studie dieser Dissertation sowohl blickabhängige Methoden (EOG, Eye-Tracking) als auch ein akustisches BCI zur binären Kommunikation mit einem Nutzer im Locked-in-Zustand evaluiert. Der Studienteilnehmer erlangte über alle getesteten Systeme die Kontrolle und bewertete den Bedienkomfort des BCI am höchsten verglichen mit den anderen getesteten Methoden. Das BCI wurde jedoch aufgrund der hohen Konzentration, die für die Auswahl eines einzelnen Befehls benötigt wurde, als die ermüdendste bewertet. Weitere Entwicklungen sind notwendig, um die Bedienung des BCI noch stärker zu vereinfachen. Die Einbeziehung von Endbenutzern in alle Schritte des Entwicklungsprozesses eines BCI wird die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass es schließlich als Hilfsmittel im Alltag genutzt
werden kann. Die vorliegende Dissertation leistet wesentliche Beiträge, um dieses Ziel zu erreichen: Nämlich Nutzern, welche sich nicht mittels motorischer Aktivität ausdrücken
können, eine neue Form der Kommunikation zu ermöglichen.
KW  - Gehirn-Computer Schnittstelle
KW  - Elektronencephalographie
KW  - Kommunikationshilfe
KW  - Brain-computer interface
KW  - BCI
KW  - EEG
KW  - P300
KW  - ALS
KW  - LIS
KW  - AAC
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-135477
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sollfrank, Teresa
T1  - Feedback efficiency and training effects during alpha band modulation over the sensorimotor cortex
T1  - Die Wirksamkeit von Feedback und Trainingseffekten während der Alphaband Modulation über dem menschlichen sensomotorischen Cortex
N2  - Neural oscillations can be measured by electroencephalography (EEG) and these oscillations can be characterized by their frequency, amplitude and phase. The mechanistic properties of neural oscillations and their synchronization are able to explain various aspects of many cognitive functions such as motor control, memory, attention, information transfer across brain regions, segmentation of the sensory input and perception (Arnal and Giraud, 2012). The alpha band frequency is the dominant oscillation in the human brain. This oscillatory activity is found in the scalp EEG at frequencies around 8-13 Hz in all healthy adults (Makeig et al., 2002) and considerable interest has been generated in exploring EEG alpha oscillations with regard to their role in cognitive (Klimesch et al., 1993; Hanselmayr et al., 2005), sensorimotor (Birbaumer, 2006; Sauseng et al., 2009) and physiological (Lehmann, 1971; Niedermeyer, 1997; Kiyatkin, 2010) aspects of human life. The ability to voluntarily regulate the alpha amplitude can be learned with neurofeedback training and offers the possibility to control a brain-computer interface (BCI), a muscle independent interaction channel. BCI research is predominantly focused on the signal processing, the classification and the algorithms necessary to translate brain signals into control commands than on the person interacting with the technical system. The end-user must be properly trained to be able to successfully use the BCI and factors such as task instructions, training, and especially feedback can therefore play an important role in learning to control a BCI (Neumann and Kübler, 2003; Pfurtscheller et al., 2006, 2007; Allison and Neuper, 2010; Friedrich et al., 2012; Kaufmann et al., 2013; Lotte et al., 2013).
The main purpose of this thesis was to investigate how end-users can efficiently be trained to perform alpha band modulation recorded over their sensorimotor cortex. The herein presented work comprises three studies with healthy participants and participants with schizophrenia focusing on the effects of feedback and training time on cortical activation patterns and performance. In the first study, the application of a realistic visual feedback to support end-users in developing a concrete feeling of kinesthetic motor imagery was tested in 2D and 3D visualization modality during a single training session. Participants were able to elicit the typical event-related desynchronisation responses over sensorimotor cortex in both conditions but the most significant decrease in the alpha band power was obtained following the three-dimensional realistic visualization. The second study strengthen the hypothesis that an enriched visual feedback with information about the quality of the input signal supports an easier approach for motor imagery based BCI control and can help to enhance performance. Significantly better performance levels were measurable during five online training sessions in the groups with enriched feedback as compared to a conventional simple visual feedback group, without significant differences in performance between the unimodal (visual) and multimodal (auditory–visual) feedback modality. Furthermore, the last study, in which people with schizophrenia participated in multiple sessions with simple feedback, demonstrated that these patients can learn to voluntarily regulate their alpha band. Compared to the healthy group they required longer training times and could not achieve performance levels as high as the control group. Nonetheless, alpha neurofeedback training lead to a constant increase of the alpha resting power across all 20 training session. 
To date only little is known about the effects of feedback and training time on BCI performance and cortical activation patterns. The presented work contributes to the evidence that healthy individuals can benefit from enriched feedback: A realistic presentation can support participants in getting a concrete feeling of motor imagery and enriched feedback, which instructs participants about the quality of their input signal can give support while learning to control the BCI. This thesis demonstrates that people with schizophrenia can learn to gain control of their alpha oscillations recorded over the sensorimotor cortex when participating in sufficient training sessions. In conclusion, this thesis improved current motor imagery BCI feedback protocols and enhanced our understanding of the interplay between feedback and BCI performance.
N2  - Die Wirksamkeit von Feedback und Trainingseffekten während der Alphaband Modulation über dem menschlichen sensomotorischen Cortex
KW  - Neurofeedback
KW  - Gehirn-Computer-Schnittstelle
KW  - Brain-computer interface
KW  - Übung
KW  - Alpha Neurofeedback
KW  - EEG
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-131769
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kaufmann, Tobias
A1  - Herweg, Andreas
A1  - Kübler, Andrea
T1  - Toward brain-computer interface based wheelchair control utilizing tactually-evoked event-related potentials
N2  - Background

People with severe disabilities, e.g. due to neurodegenerative disease, depend on technology that allows for accurate wheelchair control. For those who cannot operate a wheelchair with a joystick, brain-computer interfaces (BCI) may offer a valuable option. Technology depending on visual or auditory input may not be feasible as these modalities are dedicated to processing of environmental stimuli (e.g. recognition of obstacles, ambient noise). Herein we thus validated the feasibility of a BCI based on tactually-evoked event-related potentials (ERP) for wheelchair control. Furthermore, we investigated use of a dynamic stopping method to improve speed of the tactile BCI system.

Methods

Positions of four tactile stimulators represented navigation directions (left thigh: move left; right thigh: move right; abdomen: move forward; lower neck: move backward) and N = 15 participants delivered navigation commands by focusing their attention on the desired tactile stimulus in an oddball-paradigm.

Results

Participants navigated a virtual wheelchair through a building and eleven participants successfully completed the task of reaching 4 checkpoints in the building. The virtual wheelchair was equipped with simulated shared-control sensors (collision avoidance), yet these sensors were rarely needed.

Conclusion

We conclude that most participants achieved tactile ERP-BCI control sufficient to reliably operate a wheelchair and dynamic stopping was of high value for tactile ERP classification. Finally, this paper discusses feasibility of tactile ERPs for BCI based wheelchair control.
KW  - Brain-computer interface
KW  - Event-related potentials
KW  - P300
KW  - Tactile
KW  - Wheelchair
KW  - Dynamic stopping
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-110042
ER  -