Elisa Mira Holz

• 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 asBrain-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.…
• 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 motorischenGehirn-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.…