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. / 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.

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. / Die Wirksamkeit von Feedback und Trainingseffekten während der Alphaband Modulation über dem menschlichen sensomotorischen Cortex

Hintergrund: Die tatsächliche Ankunftszeit von schwerverletzten oder kritisch kranken Patienten im Schockraum einer Klinik stimmt nicht immer mit der von der Rettungsleitstelle angekündigten Ankunftszeit überein. Im Rahmen einer retrospektiven Analyse an einem deutschen überregionalen Traumazentrum wurde untersucht, ob der dortige Alarmierungsalgorithmus geeignet ist, Zeitabweichungen in der Patientenankunft zu kompensieren. Methode: Die Datenanalyse erfolgte retrospektiv. Es wurde die Differenz zwischen angekündigter und tatsächlicher Eintreffzeit aller über das Schockraumtelefon angekündigten und im Schockraum aufgenommenen Patienten von September 2010 bis März 2011 ermittelt. Die Teamalarmierung erfolgte 10 Minuten vor angekündigter Patientenankunft. Ergebnisse: In die Untersuchung wurden 165 Patienten eingeschlossen. Bei 11% aller Patienten und bei 9% der primär über den Schockraum aufgenommenen Traumapatienten stimmten angekündigte und tatsächliche Ankunftszeit überein. In 24% aller Fälle lag die tatsächliche Ankunftszeit des Patienten vor der angekündigten Ankunftszeit. 3% des gesamten Patientenkollektives und 0% aus der Gruppe der schwer betroffenen Traumapatienten kamen vor der Teamversammlung im Schockraum an. Zu Wartezeiten des Teams von über 20 Minuten kam es in 9% aller Fälle. Schlussfolgerung: Bei einer Teamalarmierung 10 Minuten vor angekündigter Ankunftszeit kann eine vollständige Versammlung des Schockraumteams vor Ankunft des Patienten in 97% aller Fälle erreicht werden. Gleichzeitig resultieren akzeptable Wartezeiten für das Team. / Background: The real arrival time of severe injured or critically ill patients in hospital sometimes differs from the estimated arrival time. In a retrospective data analysis at a level I German trauma centre it was evaluated whether the existing algorithm for trauma team alert is able to compensate temporal deviations in arrival of patients. Methods: A retrospective data analysis was done using data from September 2010 to March 2011. The difference between the real and the estimated arrival time of all patients with admission in the hospital via emergency room after a prehospital notification phone call was evaluated. Trauma team activation took place 10 minutes before estimated arrival time. Results: In the study 165 patients were included. In 11% of all patients and 9% of the trauma-patients with primary admission via emergency room the real arrival time coincided with the estimated arrival time. In 24% of all cases the real arrival time was earlier than estimated. 3% of all patients and none of the seriously injured trauma patients arrived in emergency room prior to the trauma team. The waiting time for the trauma team was more than 20 minutes in 9% of all cases. Conclusion: With trauma team alert 10 minutes prior to the estimated arriving time an arrival of patient before the trauma team can be avoided in 97% of all cases. Furthermore acceptable waiting times for the trauma team can be achieved.

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. / 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.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Eichstätt, Ingolstadt, Univ., Diss., 2006

Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen. / Hergestellt on demand.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

Techn. University, Diss., 2007--Darmstadt.

Ulm, Univ., Diss., 2008.