TY  - THES
A1  - Holz, Elisa Mira
T1  - 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
T1  - Systematische Evaluation nicht-invasiver Gehirn-Computer Schnittstellen als Hilfsmittel für Personen mit schweren motorischen Einschränkungen auf Basis eines nutzerzentrierten Ansatzes – im kontrollierten Setting und experten-unabhängigen Gebrauch
N2  - 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 (Kübler, 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 (Kübler, 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 (Kübler, 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 Kübler and colleagues (Kübler 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 Kübler 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.
N2  - Gehirn-Computer Schnittstellen (engl. Brain-computer interfaces, Abk.: BCIs) sind technische Systeme, die Gehirnsignale in Kontrollbefehle für Computeranwendungen übersetzen. In den vergangenen zwanzig Jahren wurden verschiedenste BCI Anwendungen entwickelt, beispielsweise zur Kommunikation, Umweltsteuerung, Unterhaltung und Ersatz von Motorfunktionen. Da BCIs muskelunabhängige Kommunikation und Kontrolle ermöglichen, werden sie als mögliche Hilfsmittel für Personen mit neurologischen und neurodegenerativen Krankheiten, die zu motorischen Lähmungen führen, wie beispielsweise bei Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Muskeldystrophie, Spinale Muskelatrophie und Schlaganfall, in Betracht gezogen (Kübler, Kotchoubey, et al., 2001). Auch wenn die meisten BCI Forscher Personen mit starken motorischen Einschränkungen als Zielgruppe für ihre BCI Systeme angeben, so testen sie ihre Systeme nur in Stichproben von gesunden Probanden. BCI Studien, die Patienten einschließen, sind dagegen selten. Daher gibt es einen beträchtlichen Mangel an Studien, die untersuchen, ob die Forschungsergebnisse, die basierend auf einer gesunden Stichprobe verzeichnet wurden, auch auf Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen übertragen werden können. Das macht deutlich, dass es in der BCI Forschung eine erhebliche Translationslücke zwischen der intensiven BCI Grundlagenforschung und dem Transfer von BCI Anwendungen aus dem Labor zu den Patienten, den sogenannten BCI End-Nutzern, gibt (Kübler, Mattia, et al., 2013). Es werden deshalb Translationsstudien benötigt, die untersuchen, ob BCIs von stark motorisch eingeschränkten Patienten verwendet werden können und ob diese sogenannten End-Nutzer BCIs als Hilfsmittel akzeptieren. Zusätzlich ist eine deutliche Diskrepanz zwischen der Vielzahl an Kurzzeitstudien und der geringen Anzahl an Langzeitstudien zu verzeichnen. BCI Forschung ist daher auch mit einer Reliabilitätslücke konfrontiert (Kübler, Mattia, et al., 2013). Die meisten Studien basieren nur auf einer BCI Sitzung, jedoch zeigen die wenigen Studien, die auf mehreren Sitzungen beruhen, hohe inter- und intraindividuelle Varianz in der Performanz der Patienten. Langzeitzeitstudien werden daher benötigt, um aufzuzeigen, ob ein BCI reliabel als Hilfsmittel über einen längeren Zeitraum im Alltagsleben eines Patienten verwendet werden kann. Demzufolge gibt es einen starken Bedarf an Translations- und Reliabilitätsstudien.
Das Anliegen der vorliegenden Dissertation war es, diesen Forschungslücken zu begegnen und, basierend auf einem nutzerzentrierten Vorgehen, BCIs näher zu den BCI End-Nutzern zu bringen, besonders in ihr Alltagsleben. Der nutzerzentrierte Ansatz wurde von Kübler und Kollegen (Kübler et al., 2014; Zickler et al., 2011) als theoretisches Gerüst nahegelegt, um BCIs näher zu Patienten zu bringen. Dieser Ansatz beabsichtigt eine enge und iterative Interaktion zwischen BCI Entwicklern und den End-Nutzern mit dem finalen Ziel BCI Systeme zu entwickeln, die von den End-Nutzern als Hilfsmittel akzeptiert werden. Der nutzerzentrierte Ansatz fokussiert auf die Benutzbarkeit, das heißt, wie gut eine BCI Technologie den Bedürfnissen und den Ansprüchen der Zielgruppe entspricht. Dieser Ansatz wurde standardisiert mit dem ISO 9241-210. Demnach ist die Benutzbarkeit eines Gerätes definiert hinsichtlich der Effektivität, Effizienz, und Zufriedenheit. Um BCI Systeme zu evaluieren, wurden diese Aspekte von Kübler und Kollegen operationalisiert. Nach Vaughan und Kollegen können die Anzahl der BCI Sitzungen, die Gesamtnutzungsdauer und der Einfluss eines BCIs auf die Lebensqualität einer Person als Indikatoren der Nützlichkeit eines BCI betrachtet werden (Vaughan et al., 2012). Diese Definitionen und entsprechenden Operationalisierungen wurden in dieser Dissertation verwendet, um BCI Anwendungen hinsichtlich ihrer Benutzbarkeit und Nützlichkeit als Hilfsmittel zu evaluieren. N=10 End-Nutzer testeten und evaluierten drei BCI Anwendungen: In Studie 1 wurde ein auf Bewegungsvorstellung basiertes BCI (engl. motor imagery, Abk: MI) zur Steuerung einer Spielanwendung von vier potentiellen End-Nutzern mit unterschiedlichen neurologischen Erkrankungen getestet. In Studie 2 wurde ein Hybrid BCI, das das P300 ereignis-korrelierte Potential (EKP) und Muskelaktivität als Inputkanäle zur Steuerung eines Kommunikationsprogramms verwendet, von vier potentiellen End-Nutzern getestet. Studie 1 und 2 sind Kurzzeitstudien, welche in einem kontrollierten Design durchgeführt wurden. In Studie 3 wurde ein P300-EKP basiertes BCI zum künstlerischen Ausdruck bei zwei End-Nutzern zuhause für einen experten-unabhängigen und längerfristigen Gebrauch implementiert. Beide End-Nutzer sind Künstler, die, aufgrund der Diagnose ALS und der damit verbundenen fast kompletten körperlichen Lähmung (Locked-in Zustand), nicht mehr in der Lage waren zu malen (Studie 3). 
Die Ergebnisse zeigen, dass BCI Systeme als Hilfsmittel akzeptiert werden. Das nicht sehr ästhetische Design der EEG-Kappe und der Elektroden (Kappe zu auffällig, sieht medizinisch aus), der geringe Komfort (Kabel stören, Immobilität, Elektroden drücken gegen den Kopf), die komplizierte und zeitaufwändige Einstellung und Anpassung, die geringe Effizienz und geringe Effektivität und die nicht sehr hohe Reliabilität (viele Einflussfaktoren), wurden jedoch für einen Alltagsgebrauch als problematisch angesehen. Obwohl die Effektivität und Effizienz beim MI BCI geringer, verglichen mit beiden P300-EKP BCI Systemen, waren, wurde das MI basierte BCI-Spiel von den End-Nutzern besser akzeptiert und die End-Nutzer konnten sich eher vorstellen es im Alltag zu verwenden, als das Kommunikationsprogramm. Das zeigt, dass Störungen und Fehler, eine geringe Geschwindigkeit, und die EEG Kappe bei BCI Systemen zur Unterhaltung eher toleriert werden, als bei Systemen zur Kommunikation. Da Kommunikation im Leben essentiell ist, muss sie schnell und zuverlässig sein. BCI Systeme zur Kommunikation  sind daher zum aktuellen Stand der Technik nicht konkurrenzfähig mit anderen Hilfsmitteln, wenn andere Hilfsmittel zur Kommunikation, wie Augensteuerung, verwendet werden können. BCI Systeme sind aber eine Option im Bereich Unterhaltung, sofern Möglichkeiten zur Kommunikation (noch) bestehen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein BCI für einen Alltagsgebrauch übernommen wird, wenn es den Bedürfnissen und Anforderungen des End-Nutzers entspricht. Brain Painting zeigt hierbei beispielhaft, wie negative Facetten, wie die wenig komfortable EEG Kappe, die Abhängigkeit von anderen aufgrund der komplexen Einstellung, und eine subjektiv empfundene geringe Kontrolle toleriert werden, da es genau den Bedürfnissen der Künstler sich kreativ auszudrücken entspricht. Ebenso Patienten, die Bedarf an Kommunikation haben, wie Patienten im Locked-in Zustand, die keine zuverlässigen Augen-Bewegungen aufweisen, oder Patienten, die keine Hilfsmittel zur unabhängigen Kommunikation haben, akzeptieren diese Umstände beim BCI Gebrauch. Das zeigt, dass diese Umstände keine richtigen „Hindernisse“, sondern vielmehr Herausforderungen sind, die eine Übernahme eines BCI im Alltag eines Patienten nicht verhindern. Es ist daher nicht die Frage, welches BCI System überlegen ist, sondern welches BCI System das Beste für ein Individuum mit spezifischen Symptomen, Bedürfnissen, Ansprüchen, vorhandenen Hilfsmitteln, Unterstützung durch Familie und Pflegern, ist; es ist deshalb eine Frage der Indikation. Eine End-Nutzerin, die ein BCI im Alltag verwendet, sagte beispielsweise: „Mir ist das ästhetische Design der EEG-Kappe und der Elektroden, oder des EEG-Verstärkers völlig egal“. Diese Faktoren können als die besten “Prädiktoren” für eine Übernahme eines BCI Systems im Alltag eines Patienten angesehen werden, weniger hingegen die üblichen Kriterien zur Bewertung der Benutzbarkeit, wie Effektivität und Effizienz. Die Ergebnisse hinsichtlich des Alltagsgebrauches belegen ferner, dass ein P300-EKP basiertes BCI mit hoher Zufriedenheit über einen Zeitraum von 3 Jahren, ohne die Hilfe eines BCI Experten, und trotz einer Abnahme der Amplitude des P300-Signales verwendet werden kann. Brain Painting ermöglichte beiden Künstlern sich wieder kreativ auszudrücken und beeinflusste somit positiv das Empfinden von Freude, das Gefühl von Nützlichkeit, das Selbstwertgefühl, das Wohlbefinden und folglich die Lebensqualität der Künstler und förderte ihre soziale Inklusion. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass BCIs wertvolle Hilfsmittel für Personen im Locked-in Zustand sein können.
KW  - Gehirn-Computer-Schnittstelle
KW  - Benutzerfreundlichkeit
KW  - brain-computer interface
KW  - evaluation
KW  - Evaluation
KW  - usability
KW  - Benutzerfreundlichkeit/ Benutzbarkeit
KW  - assistive device
KW  - Hilfsmittel
KW  - user-centred design
KW  - nutzerzentrierter Ansatz
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126334
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jäger, Dana
T1  - Zur pädagogischen Legitimation des Würzburger Trainingsprogrammes Hören, lauschen, lernen: Trainingseffekte und Trainereffekte
T1  - Educational legitimation of the "Würzburger Trainingsprogramm Hören, lauschen, lernen": training effects and trainer effects
N2  - Programmansätze und deren Einsatz in vorschulisch, schulisch und außerschulisch bildenden Kontexten erfreuen sich der zunehmenden Beliebtheit. Ein breites und nicht nachlassendes Interesse in Forschung und Praxis kommt insbesondere vorschulischen Trainingskonzepten zuteil, denen das Potenzial zugesprochen wird, später auftretenden Schwierigkeiten beim Erwerb der Schriftsprache wirksam vorzubeugen.
Das Würzburger Trainingsprogramm »Hören, lauschen, lernen« stellt einen konzeptionell auf schriftspracherwerbstheoretischen Annahmen fundierten und mit mehreren evaluierenden Studien erprobten Trainingsansatz dar. Dieser bezweckt, Kindern den Erwerb des Lesens und Schreibens zu erleichtern. Dem Anspruch, späteren Lese-Rechtschreibschwierigkeiten effektiv vorzubeugen, unterliegt die vorschulische Förderung bereichsspezifischer Kompetenzen des Schriftspracherwerbs, insbesondere der Kompetenz phonologische Bewusstheit. Die Förderung wird optimal ausgeschöpft, sofern Empfehlungen einer qualitativen Implementierung umgesetzt werden, die als Manualtreue, Durchführungsintensität, Programmdifferenzierung, Programmkomplexität, Implementierungsstrategien, Vermittlungsqualität und Teilnehmerreaktion spezifiziert sind.
Zunehmend diskutiert sind in der Trainingsforschung, neben der theoretischen Fundierung und dem zu erbringenden Nachweis an empirischer Evidenz von Programmansätzen, Kriterien der Praxistauglichkeit. Daher befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Frage der Programmrobustheit gegenüber Trainereffekten. Es nahmen 300 Kinder an dem Würzburger Trainingsprogramm teil und wurden 64 Kindern gegenübergestellt, die dem regulären Kindergartenprogramm folgten. Angeleitet durch das erzieherische Personal fand das 5-monatig andauernde Training innerhalb des Vorschuljahres statt. Die kindliche Entwicklung in den bereichsspezifischen Kompetenzen der phonologischen Bewusstheit und der Graphem-Phonem-Korrespondenz wurde vor und nach der Trainingsmaßnahme sowie zum Schulübertritt und in den Kompetenzen des Rechtschreibens und Lesens zum Ende des ersten Schuljahres untersucht. Es ließen sich unmittelbar und langfristig Trainingseffekte des eingesetzten Programmes nachweisen; indessen blieb ein Transfererfolg aus.
Der Exploration von Trainereffekten unterlag eine Eruierung der Praxistauglichkeit des Trainingsprogrammes anhand der erfolgten Implementierung durch das anleitende erzieherische Personal. Aus der ursprünglich mit 300 Kindern aus 44 involvierten Kindergärten bestehenden Datenbasis wurden drei Subgruppen mit insgesamt 174 Kindern aus 17 Kindergärten identifiziert, bei denen deutliche Diskrepanzen zu unmittelbaren, langfristigen und transferierenden Effekten des Trainingsprogrammes auftraten. Exploriert wurden Unterschiede in der Durchführung, um Rückschlüsse auf qualitative Aspekte der Programmimplementierung zu ziehen. Die Befunde des Extremgruppenvergleichs deuteten an, dass weniger Aspekte der Manualtreue und Durchführungsintensität ausschlaggebend für die Programmwirksamkeit waren; vielmehr schien für die Wirksamkeit des Trainingsprogrammes die Implementierung in der Art und Weise, wie die Trainingsinhalte den Kindern durch das erzieherische Personal vermittelt waren, entscheidend zu sein. Befunde zur eruierten Teilnehmerreaktion, die auf differenzielle Fördereffekte verweisen, stellten die Trainingswirksamkeit insbesondere für Kinder heraus, bei denen prognostisch ein Risiko unterstellt war, später auftretende Schwierigkeiten mit der Schriftsprache zu entwickeln. Ferner zeichnete sich ab, dass neben der Qualität der Programmimplementierung scheinbar auch Unterschiede in der schulischen Instruktionsmethode des Lesens und Schreibens einen nivellierenden Einfluss auf den Transfererfolg des Programmes ausübten. Theoretische und praktische Implikationen für den Einsatz des Trainingsprogrammes wurden diskutiert.
N2  - There is an increase in the popularity of programs and their adoption in preschool, school and out-of-school settings. Especially in research and practice a broad and continuing interest is given to trainings for preschoolers which are believed to have the potential to be effective in ameliorating reading and spelling problems later in school.
The ‘Würzburger Trainingsprogramm “Hören, lauschen, lernen”’ describes a training approach to facilitate the acquisition of reading and spelling skills for children. It is based on theoretical models of written language acquisition and has been well-proven in several evaluations so far. The claim to prevent reading and spelling difficulties is based on a preschool promotion of specific precursors in written language, particulary the skills of phonological awareness. It is best used in an optimal way if recommendations towards implementation fidelity are realized, that are specified with adherence, dosage, program differentiation, intervention complexity, facilitation strategies, quality of (program) delivery and participant responsiveness. 
In addition to underlying rationale and provided empirical evidence, suitability for daily use is more and more discussed by training research. Hence this academic work considered the issue of reliable effects caused by training, in contrast to effects caused by the trainer. 300 preschoolers participated in the ‘Würzburger Trainingsprogramm’ and were contrasted with 64 children who passed the regular kindergarten program. Instructed by the child care worker, the training was taking over a period of five months during the preschool year. The development of skills in phonological awareness and in letter-sound-correspondence was examined before and after the training period, as well as when entering school. Reading and spelling skills were examined at the end of the first school year. Provided evidence was observed for short-term and long-term effects on increased skills in phonological awareness and letter-sound-correspondence, but not for reading and spelling skills. 
Explorations to trainer effects, based on the investigation of suitability for daily use, were analyzed according to the degree of program implementation by the child care worker. Originally, the data base consisted of 300 children from 44 involved kindergartens. Furthermore there was an identification of three subgroups of overall 174 children from 17 kindergartens, that showed distinct discrepancies in short-term and long-term effects as well as in transferring effects produced by the training. Differences that occurred in training realization were explored to draw conclusions about the degree of program implementation. Findings of the between-group comparison indicated that aspects of adherence and dosage were less crucial for training outcomes; rather quality of (program) delivery, respectively how training contents were introduced by the child care worker to the participating children, seemed to determine training effectiveness. Referring to individual differences in training effectiveness, the sustained results of participant responsiveness emphazised training effectiveness particulary for those children, who were at risk of becoming dyslexic in school. In addition to implementation effects, differences in the teaching method of learning how to read and write may have had an impact to minimise outcome effects of the training. Theoretical and practical implications are discussed.
KW  - Phonologische Bewusstheit
KW  - Evaluation
KW  - Qualität der Programmimplementierung
KW  - implementation fidelity
KW  - trainer effects
KW  - phonological awareness
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174051
ER  -