Die Gehirn Computer Schnittstelle als Hilfsmittel bei Wachkoma? 10 Jahre Verein Initiative für Menschen im Wachkoma. Inhalt

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1 Die Gehirn Computer Schnittstelle als Hilfsmittel bei Wachkoma? Gernot R. Müller Putz Institut für Semantische Datenanalyse, BCI Labor Technische Universität Graz 10 Jahre Verein Initiative für Menschen im Wachkoma Inhalt Gehirn Computer Schnittstelle Brain Computer Interface (BCI) Single Switch BCI Studien und erste Ergebnisse Sensomotorische Rhythmen Akustische ereigniskorrelierte Potentiale Diskussion 1

2 BRAIN COMPUTER INTERFACE Brain Computer Interface A BCI is a device that does not use the normal neuromuscular output pathways of the brain, but accepts commands encoded in neurophysiological signals. JR Wolpaw, 1991 closed loop system Applications Computer Spelling Device Neuroprosthesis etc. Graimann et al

3 Oberflächen EEG ELEKTRODEN ELEKTRODEN ECoG / Intrakortikale Messung Utah array Subdurale Elektroden zur ECoG Ableitung Schwartz et al. 3

4 Hirnsignale Spontanes EEG Steady state evozierte Potentiale P300 evoziertes Potential Experimentelle Strategien Operante Konditionierung durch Neurofeedback (e.g. Änderungen von langsamen Potentialen) Birbaumer/Tübingen Mentale Strategie/Art der Gedanken Wolpaw/NY Pfurtscheller/Austria Fokussierte visuelle/somatosensorische Aufmerksamkeit (z.b. Vergrößerung von VEP P300 Amplituden) Donchin/US SSVEPs Gao/China SSSEPs Müller Putz/Austria 4

5 Welche Art von Gedanken verwenden? kein Großmutterneuron an eine Katze denken an ein Fußbewegung denken EEG/ECoG Elektroden unspezifische Aktivierung des gesamten Cortex spezifische Aktivierung der vom Fuß repräsentierten Region im motorischen Cortex Steuerung mittels Bewegungsvorstellung Bewegungsvorstellung von... rechter Hand linker Hand Fuß/Bein Gesicht/Zunge motorischer Homunkulus 5

6 P300 ereigniskorreliertes Potential C L A W A time Synchron zu jedem Buchstaben gemittelt Fokusierte Aufmerksamkeit auf A p(a) = 25%, p(clw) = 75% Mittelung über Zielbuchstaben Oddball Paradigma 6

7 Feedback Verschiedene Arten visuellen Feedbacks Korbspiel (A) (Krausz et al., 2003) Fluider Cursor (B) Autospiel (C) Kaiser et al Nichtinvasives BCI & Anwendungen Benutzer Intention Umgebung rechte Hand EEG linke Hand BCI Intelligente Geräte Füße Feedback 7

8 SINGLE SWITCH BCI EIN EINFACHES BCI Ziele Übertragung von bestehenden fmri Ergebnissen auf portable EEG Systeme. Mit Hilfe eines Single Switch BCI soll eine einfache Kommunikation hergestellt werden. 8

9 Single Switch BCI A E I O U Scanning Methode Stabiles EEG Muster: Beta Rebound Verschiedene Möglichkeiten Bewegungsvorstellung von... rechter Hand linker Hand Fuß/Bein Gesicht/Zunge ERP 9

10 BRAIN COMPUTER INTERFACE ZUR KOMMUNIKATION BEI WACHKOMA AuditorischesP300 basiertes BCI unter Verwendung von Tonserien Tonserien Ablauf: LHL_LHL_... Tiefe Tonserie (TTS) schnell, hohe Tonserie (HTS) langsam 20 % abweichende Töne (bezogen auf langsame Töne) Periodendauer der tiefen/hohen Töne: 300/600 ms Länge eines Tons: 60 ms Gehörrichtige Lautstärkeanpassung anhand Kurven gleicher Lautstärkepegel (ISO226:2003) 10

11 Experiment Auditorisches P300 basiertes BCI: Einsatz mit PatientInnen Einfaches P300: nur eine Tonserie Komplexes P300: zwei vermischte Tonserien Akustische Instruktionen 11

12 StudienteilnehmerInnen Patienten-Nr. Ort Alter Geschlecht Ursache der Erkrankung Zeit seit Eintreten (Jahre) (Monate) PA1 Graz 45 männlich Traumatische Hirnverletzung 19 PA2 Graz 66 männlich Traumatische Hirnverletzung 9 PA3 Graz 21 männlich Hypoxie 37 PA4 Graz 28 männlich Traumatische Hirnverletzung 49 PA5 Würzburg 59 weiblich Hypoxie 41 PA6 Würzburg 59 männlich Traumatische Hirnverletzung 30 PA7 Würzburg 55 männlich Schlaganfall 27 PA8 Rom 62 männlich Hirnblutung 5 PA9 Rom 47 weiblich Hirnblutung 38 PA10 Rom 64 weiblich Hirnblutung 13 PA11 Rom 41 männlich Traumatische Hirnverletzung 7 PA12 Lüttich 29 weiblich Traumatische Hirnverletzung 89 Datenanalyse EEG Kanäle: Fz, Cz, Pz (Mittellinie) Zeitfenster: s Manualle Artefakt Entfernung (EOG, EMG) Downsampling: 512 Hz => 64 Hz Tiefpass Filter mit 10 Hz Grenzfrequenz Konfidenzintervallschätzung mittels Bootstrapping (1000 Stichproben, α = 5 %) SWLDA Klassifikation mit 10 x 10 Kreuzvalidierung Zeitfenster zur Merkmalsextraktion: s Zufälliges Subsampling (100 Wiederholungen) 12

13 Einfaches Paradigma Hohe Töne Hohe abweichende Töne Signifikante Unterschiede SWLDA Merkmale Komplexes Paradigma Tonserien unabhängig voneinander Hohe Töne Hohe abweichende Töne Signifikante Unterschiede SWLDA Merkmale 13

14 Ergebnisse zusammengefasst Einfaches P300 Paradigma: Bei 14 (von 20) Messungen (9 Patienten) war eine signifikante P300 messbar (passiv) Komplexes P300 (HTS, LTS) Paradigma: Bei 13 (von 20) Messungen (10 Patienten) war erkennbar, dass die Patienten sich auf das Paradigma konzentriert haben (aktive Teilnahme) 1 Patient ohne erkennbare Ergebnisse Müller Putz et al, IEEE EMBS 2012 Erlbeck et al, BBCI Workshop 2012 Pokorny et al, submitted Diskussion Erste Ergebnisse zeigen, dass Patienten und Patientinnen unsere Anweisungen wahrnehmen und versuchen mit dem Paradimgen mitzumachen Erste Ergebnisse (SMR / P300) sind vielversprechend aber mehr Daten benötigt um bessere Aussagen zu machen Paradigmen eventuell modifizieren Erste Online Studie in Planung, dh. das Ergebnis wird unmittelbar rückgemeldet, erste Schritte für Kommunikation in Aussicht 14

15 Danksagungen G.R. Müller-Putz S. Wriessnegger M. Pröll C. Brunner S. Marko R. Scherer T. Österlein I. Daly G. Moitzi D. Steyrl S. Grissman T. Solis-Escalante G. Aigner G. Bauernfeind P. Ofner V. Kaiser C. Neuper A. Kreilinger C. Breitwieser M. Billinger P. Horki G. Clauzel H. Hiebel J. Faller C. Pokorny D. Klobassa J. Wagner M. Seeber A. Pinegger G. Schober bci.tugraz.at 15