Elektroenzephalographie/BCI

Die neue Technologie beruht auf der kapazitiven Messung der Gehirnsignale, die mit speziellen Maßnahmen zur Unterdrückung von elektrischen Störungen aus der Umgebung kombiniert wurde. Kapazitive Messung bedeutet, dass kein direkter elektrischer Kontakt zum Kopf besteht und somit auf Kontaktgel verzichtet werden kann.

Das vom BMBF geförderte Projekt findet in Kooperation mit Prof. Dr. Gabriel Curio von der Klinik für Neurologie der Charité Berlin und Prof. Dr. Klaus-Robert Müller vom Fraunhofer Institut FIRST in Berlin statt. In dieser sehr fruchtbaren, interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Neurologie, Informatik und Elektrotechnik werden die Möglichkeiten einer schnellen, einfachen Aufnahme der Gehirnsignale für die Medizintechnik und auch für neue Anwendungen, wie die Steuerung von Computerspielen und anderen Geräten untersucht.

Eine wesentliche Aufgabe des Gerätes besteht in der komplexen Signalauswertung, mit der aus den zahllosen verschiedenen Gehirnsignalen die relevanten Anteile durch Anwendung moderner Methoden der Signalanalyse herausgefiltert werden. Aus diesen Daten wird die Steuerungsinformation extrahiert und an das Fahrzeug gesendet.

Elektroenzephalographie ist eine Routinemethode der medizinischen Diagnostik zur Beurteilung der menschlichen Gehirntätigkeit. Gemessen werden die elektrischen Signale auf der Kopfhaut, die durch Aktivität der Nerven im Gehirn entstehen. Unser Denken besteht aus einem komplexen Zusammenwirken elektrischer Signalverarbeitung und chemischer Signalspeicherung im Gehirn. Dabei sind bestimmten Bereichen im Gehirn eindeutig Aktivitäten des Körpers zu zuordnen, wie beispielsweise die hier genutzte Verarbeitung der Signale aus den Augen, die bei jedem Menschen am Hinterkopf im visuellen Cortex abläuft.

Solche elektrischen Vorgänge laufen in allen Bereichen des Gehirns ab und überlagern sich dabei nach aussen hin. Sie sind durch begleitende elektrische Spannungen auf der Haut messbar. Zur Aufnahme des Elektroenzephalogramms werden üblicherweise mittels einer elastischen Haube Elektroden angelegt, mit denen die Spannungen von wenigen Millionstel Volt gemessen werden können.

Die Signale des normalen Sehens sind zu kompliziert und zu schwach, um sie mit einem EEG zu verarbeiten. Wenn aber ein großer Teil des Gesichtsfeldes von einem blinkenden Muster mit einer Frequenz zwischen 8 und 15 Hz eingenommen wird, entstehen stärkere elektrische Signale im Sehzentrum im Gehirn. Diese können mit dem EEG aufgenommen, mit dem Computer herausgefiltert und weiterverarbeitet werden. Solche durch äußere, vorgegebene Reize erzeugten Signale werden als visuell evozierte Potentiale (VEP) bezeichnet.

Die Signale werden als Landkarte dargestellt (s. Abbildung oben). In der medizinischen Anwendung erstellt der Arzt seine Diagnose, indem er die Gehirnaktivität des Erkrankten mit der gesunder Personen vergleicht.

Zur Messung des EEGs kommen üblicherweise Elektroden zum Einsatz, die den Kontaktwiderstand zwischen Elektrode und Hautoberfläche minimieren und einen stabilen, zuverlässigen Kontakt gewährleisten. Sogenannte Silber/Silberchlorid Elektroden erfüllen diese Forderung am besten. Durch ein spezielles Kontaktgel, welches zwischen Elektroden und Kopfhaut in den Haaren aufgebracht wird, lässt sich der elektrische Widerstand minimieren und so die Ableitung des EEGs optimieren. Da für ein EEG normalerweise einige Dutzend Elektroden (Bild oben) erforderlich sind, müssen alle Elektroden einzeln mit großer Sorgfalt in die abgebildete Kappe eingebracht und getestet werden. Für besonders gute Kontakte muss die oberste Schicht der Kopfhaut mechanisch aufgeraut oder abgetragen werden. Der zeitliche Aufwand und das erforderliche Know-How dazu sind erheblich, so dass die EEG-Ableitung normalerweise den Spezialisten überlassen bleibt und die Ableitung von Gehirnsignalen für die Steuerung von Maschinen zu aufwändig erscheint.

Bei der kapazitiven Messung des EEGs nutzt man den Effekt, dass durch Gehirnaktivität auch an der Körperoberfläche Ladungsverschiebungen existieren. Diese Änderung der elektrischen Ladung kann wiederum die Ladung auf einer metallischen Platte, die sich in der Nähe des Körpers befindet, beeinflussen. Da diese elektrische Platte dabei keinen direkten elektrischen Kontakt zum Körper benötigt, kann sie vom Körper isoliert werden. So ist die Messung des kapazitiven EEGs (engl. capacitive EEG bzw. cEEG) auch durch Haare hindurch möglich. An diese Platte wird ein hochempfindlicher Signalverstärker angeschlossen, der das Gehirnsignal verstärkt und so aufbereitet, dass es später auf dem Bildschirm dargestellt werden kann. Platte, Verstärker und weitere Signalverarbeitungselektronik sind in die kompakten Elektroden (30 mm Durchmesser, etwa so groß wie eine 2€-Münze) integriert. Die Elektrode ist etwas größer als eine Standard-EEG-Elektrode.

Zur Abdeckung der verschiedenen Gehirnareale wurden 28 Elektroden in einen Helm integriert. Um die Anpassung an unterschiedliche Kopfformen zu ermöglichen, sind die Elektroden einzeln mechanisch justierbar am Helm aufgehängt.

Ein Brain-Computer-Interface soll den direkten Informationsfluss vom Gehirn zum Computer ermöglichen. Zur technischen Umsetzung müssen dazu Signale aus dem Gehirn aufgenommen werden. Dazu kommen verschiedene Möglichkeiten in Frage, wobei wir die relativ kostengünstige und einfache Aufnahme der elektrischen Gehirnsignale (EEG) mit Hilfe von kapazitiven Elektroden einsetzen.

In unserem System entstehen die Signale des Sehzentrums im Gehirn dadurch, dass auf dem Computerbildschirm zwei blinkende Schachbrettmuster betrachtet werden. Wenn der steuernde Mensch sich auf das linke blinkende Schachbrett konzentriert, so soll das Auto nach links fahren und bei dem rechten blinkenden Schachbrett entsprechend nach rechts. Wird keines der beiden Schachbretter fokussiert, so fährt das Auto geradeaus. Die Signale für links und rechts unterscheiden sich in der Blinkfrequenz der Schachbrettmuster (Martin Oehler, Peter Neumann, Matthias Becker, Gabriel Curio, Meinhard Schilling, "Extraction of SSVEP Signals of a Capacitive EEG Helmet for Human Machine Interface", Proceedings of the 30^th Annual International Conference IEEE EMBS , Vancouver, Canada, 2008).

Die aufgenommenen Signale werden verstärkt und Störungen herausgefiltert. Diese Signale werden dann in den Computer übertragen (kabellos oder per Kabel) und dort ausgewertet. Erst mit Hilfe eines Computerprogramms kann die Absicht des steuernden Menschen aus den vielen Signalen ermittelt und in Steuersignale für eine Maschine verwandelt werden. Diese Steuerbefehle werden dann per Funk an ein Automodell weitergegeben.

Weitergehende BCI-Systeme, wie sie bei unseren Kooperationspartnern in Berlin untersucht werden, basieren allein auf willentlich beeinflussten, aber viel schwächeren, elektrischen Gehirnsignalen aus dem motorischen Zentrum im Gehirn, die mit konventionellen EEG-Elektroden gemessen werden.

An der Technischen Universität Braunschweig wird ein leichter Elektroden-Helm gebaut und eingesetzt, der die Diagnostik durch mobile drahtlose übertragung der elektrischen Aktivität des Gehirns erheblich vereinfacht. Mit dem EEG-Helm können die Gehirnsignale ohne direkten elektrischen Kontakt zum Kopf gemessen werden. Ermöglicht wird dies durch die neuartigen kapazitiven Elektroden.

Es ist bereits die dritte Elektroden-Helm-Generation, die das Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik (EMG) entwickelt hat. Der neue Helm wiegt nur 500 Gramm, ist mit 24 Elektroden ausgestattet, und kann individuell an verschiedene Nutzer angepasst werden. Mittels 3D-Druckern kann er schnell und in höherer Stückzahl gefertigt werden. „Der Helm ist zwar noch nicht marktreif, aber er kann bereits für Studien in Kliniken und Arztpraxen eingesetzt werden”, so Prof. Meinhard Schilling vom EMG.

Die neue Technologie zeichnet sich durch ein gutes Signal-Rauschverhältnis aus. Sie kombiniert die kapazitive Messung der Gehirnsignale mit speziellen Maßnahmen zur Unterdrückung von elektrischen Störungen aus der Umgebung. Durch den Einsatz der kapazitiven Elektroden ist kein direkter elektrischer Kontakt zum Kopf mehr erforderlich und somit kann auf die langwierige Vorbereitung mit Kontaktgel verzichtet werden, stattdessen wird der Helm aufgesetzt und das EEG kann aufgenommen werden [1].

Das Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik erforscht bereits seit einigen Jahren biochemische Sensorik und arbeitet dabei eng mit Neurologen der Charité Berlin und Informatikern der TU Berlin zusammen. Ziel ist es, eine schnelle, einfache und drahtlose Aufnahme der Gehirnsignale für die medizinische Diagnostik wie zum Beispiel bei der Schnelldiagnostik von Epilepsie oder Schlafforschung zu erreichen. Aber auch neue Anwendungen an der Schnittstelle Mensch und Maschine, wie die Steuerung von Computerspielen und anderen Geräten sowie Einsatzmöglichkeiten in der Neuro-Ergonomie sind damit möglich. Hier könnte in Zukunft der Konzentrationszustand gemessen werden, wo Menschen blitzschnell reagieren müssen, wie zum Beispiel im Cockpit eines Flugzeugs oder am Leitstand großer Industrieanlagen.

[1] Extraction of SSVEP Signals of a Capacitive EEG Helmet for Human Machine Interface Martin Oehler et. al., Proceedings of the 30th IEEE EMBS, Vancouver, 4495–4498, 2008 .

Elektroenzephalographie ist eine Routinemethode der medizinischen Diagnostik zur Beurteilung der menschlichen Gehirntätigkeit. Gemessen werden die elektrischen Signale auf der Kopfhaut, die durch Aktivität der Nervenzellen im Gehirn entstehen. Unser Denken besteht aus einem komplexen Zusammenwirken elektrischer Signalverarbeitung und chemischer Signalspeicherung im Gehirn. Dabei sind bestimmten Bereichen im Gehirn eindeutig Aktivitäten des Körpers zu zuordnen, wie beispielsweise die hier genutzte Verarbeitung der Signale aus den Augen, die bei jedem Menschen im Hinterkopf im visuellen Cortex abläuft.

Solche elektrischen Vorgänge laufen in allen Bereichen des Gehirns ab und deren Signale überlagern sich dabei nach aussen hin. Sie sind durch begleitende elektrische Spannungen auf der Haut messbar. Zur Aufnahme des Elektroenzephalogramms werden üblicherweise mittels einer elastischen Haube Elektroden angelegt, mit denen die Spannungen von wenigen Millionstel Volt gemessen werden können.

Die Signale des normalen Sehens sind zu kompliziert und zu schwach, um sie mit einem EEG aufzunehmen. Wenn aber ein Teil des Gesichtsfeldes von einem blinkenden Muster mit einer Frequenz zwischen 8 und 15 Hz eingenommen wird, bezeichnet als Musterumkehrstimulation, entstehen stärkere elektrische Signale des Sehzentrums im Gehirn. Diese können mit dem EEG aufgenommen, mit dem Computer herausgefiltert und weiterverarbeitet werden. Solche durch äußere, vorgegebene Reize erzeugten Signale werden als visuell evozierte Potentiale (VEP) bezeichnet bzw. im eingeschwungenen Zustand bei längerer Stimulation als steadystate visual evoked potential (SSVEP).

Die Signale können als Landkarte dargestellt werden, so dass die höhere Signalaktivität im Hinterkopfbereich bei Verarbeitung visueller Signale deutlich wird. Darüber hinaus ist für viele Anwendungen die Betrachtung des Frequenzspektrums relevant, um fokussierte blinkende Frequenzen zu identifizieren.

Bei manchen schweren Erkrankungen des zentralen Nervensystems (Locked-In Syndrom) ist eine nornale Kommunikation nicht mehr möglich. In solchen Fällen konnte in der Vergangenheit durch den Einsatz technischer Systeme zur Analyse der Gehirnsignale (Brain-Computer-Interface durch EEG) eine Verständigung ermöglicht werden. Solche Systeme basieren auf der Idee, dass ein Computer Buchstaben zur Auswahl vorschlägt und vom Patienten nur ein Signal zur Auswahl der Buchstaben erforderlich ist, welches aus den Gehirnsignalen gewonnen werden kann. Eine solche Anwendung haben wir mit unserem kapazitiven EEG-Helm ebenfalls realisiert und getestet.

Für die Auswahl der Buchstaben nutzen wir blinkende farbige Schachbrettmuster und haben untersucht, wie sich die Farbkombinationen auf die Erkennungsleistung verschiedener Testpersonen auswirken. Dabei wurden große Unterschiede zwischen den Individuen gefunden [2]. Aber auch für eine Testperson ist die Erkennungsleistung abhängig von der Konzentrationsfähigkeit und jeder hat ein subjektiv als am angenehmsten empfundenes Farbmuster.

Den Farbmustern sind auf dem Bildschirm die Buchstaben zugeordnet und bei Konzentration auf ein bestimmtes Farbmuster kann im Sehzentrum des Gehirns dessen Blinkfrequenz ermittelt werden und damit der ausgewählte Buchstabe erkannt werden. So können nacheinander Buchstabe an Buchstabe gereiht und Wörter zur Kommunikation gebildet werden.

[2] Subject response variability in terms of colour and frequency of capacitive SSVEP measurements. Marianne Gerloff, Meinhard Schilling, Proceedings BMT 2012, Jahrestagung, Jena, 46. DGBMT, 95-98, 2012.