Am Computer ohne Muskelkraft eine evolutionäre Vision wird Wirklichkeit

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1 Am Computer ohne Muskelkraft eine evolutionäre Vision wird Wirklichkeit Resultate einer Diplomarbeit an der Hochschule für Gestaltung und Kunst Zürich, Abteilung für Interaction Design, in Zusammenarbeit mit dem Laboratoire des Systèmes Numériques der Fachhochschule Genf. Dipl. Interaction Designer FH Gedanken zur Arbeit In diesem Projekt ging es in erster Linie darum, für eine spezifische Benutzergruppe mit Muskelschwäche auf Grund von ergonomischen Überlegungen eine spezifische Schnittstelle zu entwerfen, die dieser Benutzergruppe eine umfassende Bedienung des Computers ermöglicht. Bei der Umsetzung dieser hoch gesteckten Vision wurde ersichtlich, dass einerseits die Stärken und Schwächen der ausgewählten Technologie klar identifiziert und anderseits die Bedürfnisse dieser potentiellen Benutzergruppe beschrieben und verstanden werden müssen. Auf Grund dieser Ansatzpunkte ist ein Prototyp entworfen worden. Einleitung An der technischer Fachhochschule in Genf, hat das Laboratoire des Systèmes Numériques (kurz LSN) ein System entwickelt, welches die Stärke von Nervensignalen messen kann. Das Ziel dieser Arbeiten ist es, durch die gemessenen Signale, einen Roboterarm zu steuern. Dieser Roboterarm soll dann den geschwächten Arm der Person, die an starker Muskelschwäche leidet, tragen und führen. Die Zielgruppe dieser Entwicklung sind vor allem die Leute, die an einer Art von Muskeldystrophie leiden. Diese Gruppe von Krankheiten stört den Aufbau der Muskelfasern und verursacht eine progressive Schwäche der Muskeln. Je nach der Form der Krankheit kann es bis es zur totalen Lähmung kommen. Wenn die Herzoder Atemmuskulatur vom Muskelabbau betroffen werden, ist der Ausgang tödlich. Schlimm ist auch, dass die Wissenschaft machtlos ist, diese Muskeldegeneration rückgängig zu machen, oder wesentlich aufzuhalten. Steuern mit Nervensignalen Diese Messtechnologie ist für die Leute, die an dieser Krankheit leiden besonders gut angebracht, da die Nerven vom Muskelabbau nicht betroffen sind und das elektrische Signal immer noch einwandfrei bis zu den Muskeln geleitet wird. Dort kann es dann ohne medizinischen Eingriff durch auf der Haut aufgeklebten Elektroden gemessen werden. Danach wird das Signal elektronisch verstärkt und gesäubert, damit es weitergegeben, gelesen und verwendet werden kann. Das 1/8

2 Projekt des LSN besteht also darin, den muskelgeschwächten Personen die verloren gegangenen motorischen Funktionen zum Teil zurück zu geben. Inspiration zu meinem Beitrag Das Projekt des LSN hat mich sehr beeindruckt. Was mich aber besonders interessiert hat, war zu erforschen, was sonst mit diesen aufbereiteten Nervensignalen sonst noch alles zu machen sei. Eines stand für mich sofort fest: diese neue Messtechnologie eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für Leute, die an Muskeldystrophie leiden. Bedürfnisse von Muskeldystrophiepatienten Eine unmittelbare Frage stand für mich im Raum: Was sind die Hauptbedürfnisse dieser Personengruppe? Selbstverständlich sind ihnen Mobilitätshilfen besonders wichtig. Aber, ebenso wichtig ist für die betroffenen Personen möglichst lange im Arbeitsprozess zu bleiben. Ein robotergesteuerter Arm ist dazu nicht genügend. Das wichtigste Werkzeug in unserer Arbeitswelt ist der Computer. Der Computer ist in diesem Fall ein besonders hoffnungsvolles Werkzeug, da er eine virtuelle Art von Freiheit schenken kann: Lesen, Schreiben und weltweit kommunizieren ist weiterhin möglich. Mehrere Tätigkeiten selbständig ausführen zu können, sowie die Möglichkeit etwas nützliches für sich und die Mitmenschen zu tun, ist für eine bewegungsunfähige Person eine bedeutende Motivationsquelle. Das Thema der Diplomarbeit Dementsprechend habe ich mich entschlossen, diesen zentralen Aspekt zu bearbeiten und eine Schnittstelle zu entwickeln, die es erlaubt aufgrund von wenigen Nervensignale einen Computer zu steuern. Die neue Schnittstelle Wie für jede Schnittstelle gibt es hier zwei Seiten, zwei Welten, die zusammengeführt werden müssen. In unserem Fall müssen die Nervensignale des Menschen in digitale Befehle umgearbeitet werden, damit sie für den Rechner verständlich sind. Um die Nerven abhören zu können, hat mir das LSN ihr System ausgeliehen, welches die winzigen von Nerven erzeugten Spannungsdifferenzen messen kann. Elektroden messen die Spannungsdifferenzen. Sie werden dazu auf der Haut genau dort angeklebt, wo darunter der adressierte Muskel liegt. Der Nerv bringt das Signal zum Muskel und die angebrachte Messelektrode misst das Signal. Integriert im LSN- Messsystem ist die besagte Aufarbeitung und Säuberung der empfangenen Signale. Das Unmögliche ist aber noch nicht möglich: Um ein brauchbares Signal zu bekommen, eignen sich nur Nerven, die klar getrennte Muskeln ansteuern, damit keine zu grosse Messparasiten entstehen. Die geeignetesten Muskeln dessen Nerven gemessen werden können, sind das Bizeps-Trizeps Paar jedes Armes und Beines. Dazu kommt, dass die genausten Signale dann erhalten werden können, wenn die Signale jedes Bizeps-Trizeps Paar zusammengeführt werden. 2/8

3 Ergonomie der Signale Seite Mensch Jeder Nerv kann ein unterschiedlich starkes Signal zum Muskel leiten, das zum Beispiel von null Prozent (wenn keine Anstrengung vorhanden ist) bis zu hundert Prozent (für die Maximalanstrengung) gehen kann. Führt man die Signale von Bizeps und Trizeps zusammen (sie ziehen den Vorderarm je in die entgegengesetzte Richtung), erhält man ein Signal, das in unserem Beispiel von minus hundert Prozent bis plus hundert Prozent reicht. Geht nun ein Nervensignal zu einem der beiden Muskeln, ist das Signal irgendwo zwischen null und hundert Prozent. Wird der andere Muskel angesteuert, ist das Signal im Negativbereich zu finden. Bei Entspannung beider Muskeln, liegt das Signal in der Nähe des Nullpunktes. Dieses Kommunikationsschema funktioniert relativ präzise und ist auch für den Benutzer ergonomisch und logisch. Praktisch, gibt es nach unseren Erkenntnissen nur wenige Nervensignale die durch die Elektroden genau genug gemessen werden können. Zur Verfügung steht im Rahmen dieser Arbeit je ein stetiges Signal von minus hundert bis plus hundert für jeden Arm und jedes Bein. In nah liegender Zukunft werden sehr wahrscheinlich einige zusätzliche Nerven gemessen werden können. Man muss allerdings berücksichtigen, dass für jeden zu messenden Nerv zwei bis drei Elektroden auf der Haut aufgeklebt werden müssen und jedes Signal danach noch kalibriert werden muss. Dies stellt eine nicht zu unterschätzende Arbeit dar, die vor jedem Einsatz wiederholt werden muss. Dazu kommt noch, dass die Beine oft weniger einfach mit den Elektroden verkabelt werden können als die Arme, zum Beispiel, wenn die Person in einem Rollstuhl sitzt. Man muss auch berücksichtigen, dass die von der Krankheit stark geschwächte Muskeln sich für die Messung viel besser eignen als Muskeln, die teilweise noch funktionieren und Bewegungen auslösen. Für all diese Gründe, muss die Schnittstelle an verschiedene Gegebenheiten adaptierbar sein und nicht nur mit einer Vielzahl von stetigen Signalen funktionieren können, sondern auch mit einer Mindestanzahl davon auskommen können. Es liegt danach auch dem Benutzer und seinem Helfer festzustellen, was für ihn die bestgeeigneten Muskeln sind, und ob die Muskeln in Paaren zusammengeführt werden können. Für meinen Testfall, habe ich mich auf zwei Signale beschränkt und die Bizeps-Trizeps Paare der beiden Arme gewählt. Ergonomie der Signale Seite Rechner Im nächsten Schritt musste festgelegt werden, welche Eingänge am Rechner ansteuert werden sollen. Es gibt schon zahlreiche ganz unterschiedliche Systeme auf dem Markt und in Entwicklung in Forschungszentren, um Behinderten den Zugang zum Computer zu ermöglichen und erleichtern. Für Personen, die an Muskelschwund leiden, kommt oft eine verkleinerte Tastatur zur Hilfe, die dank dicht beieinander liegenden Tasten von einer einzigen Hand ohne Armbewegung bedient werden kann. Diese Tastaturen besitzen zum Teil eine Rollkugel, um mit einfachen Fingerbewegungen auch die Maus bewegen zu können. Dies ist eine gute Lösung, weil die Finger mit wenig Kraft bewegt werden können und dies oft lange Zeit noch möglich ist für Personen, die an Muskeldystrophie leiden. Aber sobald dieser entscheidende Punkt durch die Krankheit überschritten ist, müssen neue Produkte die den Rechner mit anderen Mitteln steuern können in Einsatz kommen. 3/8

4 Bedienung des Rechners ohne Fingerbewegung Eine Lösung gibt es, durch die Augenbewegung die Maus am Bildschirm zu steuern und mit Augenzwinkern den Klick auszulösen. Eine andere Möglichkeit die Maus zu steuern, benutzt den Mund: dabei übt man einen leichten lateralen Druck auf eine Art Röhrchen aus. Links- sowie Rechtsklick werden zusätzlich durch ein leichtes Saugen oder Blasen ausgelöst. Mit diesen beiden Systemen kann zwar die Maus gesteuert werden, aber sie bieten in sich keine direkte Lösung für Texteingaben an. Hingegen werden unterschiedliche Zusatzprogramme angeboten, welche auf dem Bildschirm eine virtuelle Tastatur einblenden, auf der man mit der Maus die unterschiedlichen Tasten ansteuern kann. Die grosse Mehrheit dieser Programme sind nicht besonders leistungsorientiert: Oft ist das Bild der konventionellen Tastatur am Bildschirm dargestellt. Dies bietet den Vorteil, dass nichts neues erlernt werden muss, um die virtuelle Tastatur benutzen zu können. Hingegen wird damit selbst ein daran gewohnter Benutzer immer relativ langsam bleiben, denn auf jede Taste muss mit der Maus genau gezielt werden. Schnell und ohne Fehler zu arbeiten ist mit diesem System sehr schwierig. Einige dieser Programme enthalten einen Wortschatz, der, nach den erst-eingegebenen Buchstaben, das geschriebene Wort versucht zu erahnen und eine Liste mit den wahrscheinlichsten Wörter anzeigt. Einige Programme können sogar ganze Sätze speichern und vorschlagen. Der Schritt zur digitalisierten Ergonomie Es gibt keinen Grund wegen vorhandener guter Wortschatz- und Erahnungssoftware kein ergonomisches Eingabesystem anzubieten. Aus meiner Sicht, soll selbst eine Schnittstelle, die mit minimalen Eingabesignalen arbeitet, neben der Mausbedienung auch eine Lösung für eine möglichst effiziente Texteingabe bieten können. Aber wie können allein mit zwei stetigen Eingaben die Maus und alle Tasten einer Tastatur betätigt werden? Zuerst zur Bewegung der Maus: Sie kann horizontal und vertikal bewegt werden. Dazu braucht es zwei stetige Signale. Weiter braucht es die Links- und Rechtsklicks. Es sind zwei binäre Signale, die entweder ein oder aus sind. Die zwei stetigen Bewegungssignale können positiv oder negativ sein, je nachdem ob die Maus auf der horizontaler Achse nach rechts oder nach links bewegt wird, oder, auf der vertikaler Achse, nach oben oder nach unten bewegt wird. Dies entspricht perfekt den beiden Nervensignalen, die zum Beispiel vom Arm stammen. Das Signal des linken Arms könnte beispielsweise die Maus horizontal bewegen, und das Signal des rechten Arms sie vertikal bewegen. Praktisch sind die Nervensignale, selbst wenn der Benutzer sich entspannt und die Signale genau kalibriert wurden, nie genau auf dem Nullpunkt. Deswegen muss um dem Nullpunkt eine kleine Zone bestehen, wo die Maus durch kleinste Signale nicht bewegt wird. Erst nachdem das Signal einen gewissen Wert erreicht hat, fängt die Maus an, sich langsam in die entsprechende Richtung zu bewegen und um so stärker das Signal wird, um so schneller bewegt sich die Maus. Die Links- und Rechtsklicks: Für die Links- und Rechtsklicks können die beiden Seiten eines Signal genommen werden, das heisst wenn das Signal im positiven Bereich ein gegebener Stand erreicht, wird der Linksklick ausgelöst, und wenn es im 4/8

5 negativen Bereich den entsprechender Stand erreicht, wird der Rechtsklick ausgelöst. Um einfach einen Doppelklick machen zu können, ist auf der selben Achse des normalen Klicks auf einem höher gelegener Niveau ein zweiter Klick platziert. Es kommt also darauf an wie stark der Benutzer den Klick ansteuert, um entweder einen normalen Klick oder einen Doppelklick auszulösen. Drag and drop: Um mit der Maus am Bildschirm zum Beispiel eine Ikone bewegen zu können, muss eine Maustaste während der Mausbewegung längere Zeit gehalten werden. Damit der Benutzer während des Verschiebens die Kraft nicht über eine längere Zeit halten muss, bleibt der Klick nach beispielsweise einer Sekunde eingeschaltet bis danach durch ein kurzes Pulssignal auf derselben Achse der Klick wieder ausgeschaltet wird. Reduzieren der Eingabesignale auf zwei: Das Problem ist es, dass wir mit der beschriebenen Konfiguration der Schnittstelle drei Eingabesignale brauchen: zwei für die Mausbewegung und eine für die beiden Klicks. Für den Testfall wollte ich mich aber auf zwei solche Signale begrenzen: man könnte zum Beispiel die horizontale und vertikale Mausachse abwechselnd auf das selbe Eingabesignal setzen. Nachdem die Maus horizontal bewegt wird, kann danach durch dieses gleiche Signal die Maus vertikal bewegt werden, und dann wieder horizontal, und so weiter. Ich habe aber bemerkt, dass im üblichen Gebrauch entweder die Maus bewegt wird, oder eine ihrer Taste (Klicks) gedrückt wird, fast nie aber beides gleichzeitig. Die Idee ist es deshalb, die Auslöser für die Maustasten an Stelle der vertikalen Maus- Bewegungsachse zu setzten und sobald aber die horizontale Bewegungsachse angesteuert wird, die Tastenauslösung verschwinden zu lassen und gleichzeitig wieder die vertikale Bewegungsachse einzublenden. Die einzige Einschränkung dieser Methode ist, dass die Maus horizontal losgefahren werden muss. Hier gäbe es noch weitere Tricks um diese Begrenzung aufzuheben. Zu sagen ist auch, dass selbst mit nur zwei Eingabesignalen für die Mausbedienung noch nicht alle Möglichkeiten ausgeschöpft sind: Weitere Befehle sind möglich. Die Tastatureingabe ebenfalls digitalisiert Für die Tastatur müssen im Vergleich zur Steuerung der Maus sehr viel mehr Elemente angesteuert werden. Zum Glück ist jeder Tastendruck ein binäres und kein stetiges Signal. Basisüberlegung: Auf jedem Eingabesignal können mit der Grösse der Spannungsdifferenz von Nervensignalen mehrere Zonen definiert werden. Nach meinen Erkenntnissen sollten um jede dieser Zonen gut ansteuern zu können sich im positiven und negativen Messbereich nicht mehr als jeweils drei dieser Zonen befinden. Dies entspricht für den Benutzer eine schwache, eine normale und eine starke Anstrengung des Armes nach oben oder nach unten. Wenn beide Arme in Betracht genommen werden ergibt dies insgesamt zwölf Zonen. Jede dieser Zonen kann separat angesteuert werden. Kombination von Signalen: Neben dem elementaren Ansteuern von Zonen gibt es die Möglichkeit durch Kombinationen und Sequenzen auf noch viel mehr Eingabemöglichkeiten zu kommen. Wenn zum Beispiel, mit dem linken Arm die Zone Nummer drei der positiven Achse ausgelöst wird und beim Halten dieses Signals mit dem rechten Arm die zweite Zone der negativen Achse ausgelöst wird, entsteht ein anderes Resultat, als wenn zuerst mit dem rechten Arm die Zone Zwei angesteuert wird. So können fast beliebig viele Muster entstehen, die zu unterschiedlichen 5/8

6 Eingaberesultaten führen. Dazu kommt noch, dass sich das System in unterschiedlichen Zuständen (Modes) befinden kann. Einer dieser Zuständen ist die oben-beschriebene Maushandhabung, ein anderer Zustand ist die Texteingabe. Weiter könnte man sich dazu noch eine Eingabe für Zahlen oder spezielle Zeichen denken. Es könnten sogar Zustände entwickelt werden, die im Kontext einer gegebenen Software spezifische Befehle ausüben, usw. Zusammenfassung Mit dieser Arbeit wurde sicher eine Basis geschaffen, um den Computer Leute, die an Muskeldystrophie leiden, wirklich zugänglich zu machen. Dazu wurde eine extrem flexible Schnittstelle entworfen, die fast beliebig viele Computer-Eingangsbefehle mit nur wenigen Messsignalen zu generieren erlaubt. Flexibel heisst auch, dass es vorstellbar wäre, dass der Benutzer selbst die gesamte Schnittstelle nachkonfigurieren könnte. Zukünftig ist es wichtig, diese Fragen praktisch mit Patienten gemeinsam zu erarbeiten. Dipl. Designer FH Abbildungen Steuerung des Rechners durch die Elektroden. 6/8

7 Hardware Installation für die Schnittstelle. 7/8

8 Die Maus und ihre Signale. Die Tastatur und ihre Signale. 8/8