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Diplomarbeit

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1. 200022220000220000nennnnennen 152 Abb 7 35 Parameterdialog und Ausgabefenster des Threshold Elementes 152 Abb 7 36 Parameterdialog und Ausgabefenster des AVI Player Elementes u 153 Abb 7 37 Parameterdialog des Com Writer Elementes 444444s440nn0snnnnnnenennnnnnnnnnnnnnnnnnnennn 154 Abb 7 38 Parameterdialog des EDF FileWriter Elementes s 0000220000000Bnnnnnnnnnnnee nennen 154 Abb 7 39 Parameterdialog des FileWriter Elementes uu0s00440000000000eRRnnnn nennen nennen 155 Abb 7 40 Parameterdialog und Ausgabefenster des Oscilloscope Elementes uu 156 Abb 7 41 Parameterdialog und Ausgabefenster des Particle Animation Elementes 156 Abb 7 42 Parameterdialog des Midi Output Elementes u0002222200000200nnnnnennnnnnnnnennnnnnnnn 157 Abb 7 43 Parameterdialog des Mouse Controller Elementes 0022220000222000022nnnennnnneeenen 158 Abb 7 44 Parameterdialog des Sound Player Elementes nn00nnnnnennnnnnnennnnnnennnnnennn 159 Abb 7 45 Lokal laufender Neuroserver mit aufgebauter Sendeverbindung 444s4enne nen 160 Abb 7 46 Parameterdialog des TCP Sender Elementes us0004440nnnnnnnennnnnnnnnnnn nennen 160 Abb 7 47 Parameterdialog und Ausgabefenster des Media Player Ele
2. 2 1 2 Physiologische und anatomische Grundlagen u224u0444e 6 1 2 1 Die Vorg nge an der Zellmembran u02400208000000nnnonnnn nenn nnne nen 6 1 2 2 Die Entstehung des Ruhemembranpotenzials u 4u0444004enn nennen 8 1 2 3 Berechnung des Ruhemembranpotenzials Die Nernst Gleichung 8 1 2 4 Erhaltung des Gleichgewichtspotenzials die Ionenpumpen 9 1 2 5 Funktionale Einheiten in der Zellmembran die lonenkan le 9 1 2 6 Eigenschaften von Kanalproteinen u u0024002n0 Rene nenn nenne nene nennen 10 1 2 7 Weiterleitung bioelektrischer Signale Das Aktionspotenzial 11 1 2 8 bertragung von Information auf andere Zellen Die Synapse 12 1 2 9 Vom Nerv zum Muskel Die neuromotorische Endplatte 12 1 2 10 Da8 amp NeWVensysieni nsnsn naar ERs ana 13 2 Eigenschaften und Anwendung von Biosignalen 15 2 1 EIEKIEISCHE BIOSIONAlE euere 15 2 1 1 Elektromyogramm EMG 2u022420222000000 nenne nenne nenne nenne nenne nenne nennen 16 2 A 2EleKtroKardl9gFra mm ERS essen 17 21 3 EleKtrookUl0gramM EOG aus e 20 2 1 4 Elektroenzephalogramm EEG und Elektrokortikogramm ECoG 21 2 1 4 1 Evozierte und Ereigniskorrelierte Potenziale EP EKP ERP uunnennnnn 23 DIA DER ER r been Era 24 2 1 4 3 Langsame Potenziale SCP
3. 220024002402200000 0000 nnn nenn nenn anne nnn nun nenn nennen 161 7 6 4 1 Das Documentation Element 2 22z0022008000000000 nennen onnnnnnnnnnnnnn nennen nennen 161 1 0 4 2 Das Ballgame lt EleMenl uu aan 162 8 Anwendungsbeispiele u0220022200200002nnonnnn nenne nennen 163 8 1 Eine Konfiguration f r Alpha Beta Neurofeedback 163 8 2 Herzschlag R ckmeldung aus einer Biosignalaufnahme 165 8 3 Eine Konfiguration f r Muskel Feedback und rehabilitation 166 8 4 Steuerung eines Films durch Aktivit t am Home Trainer 168 8 5 Eine Kamera Maus mit Klick Funktionen 02402202202 200 170 9 Evaluierung von Ergebnissen 02220022002n0nnneneneeneenn 172 9 1 Beurteilung der Erreichung von Designzielen 172 9 2 Bestehende Einschr nkungen u22002400enennnnnnnenennn nennen 173 9 2 1 L ngerfristige Pl ne zur Verbesserung der Applikation 174 9 3 Evaluation des Settings zur Muskelrehabilitation 175 9 3 1 Ergebnisse und R ckmeldungen u02222022000000000enne nenne nun 175 9 4 Evaluation der Kamera Maus Konfiguration 176 9 4 1 Schreiben mit Switch Access to Windows SAW u nussnseseneesnnneo 176 9 4 2 Test der Genauigkeit Das Spiel Minesweeper 2 2002220senseeneo 178 9
4. 00s4 een 43 2 4 6 2 Detektion der Blickrichtung Gaze Tracking u0s0040040neennennnnnennennnnne nenn 44 2 4 5 5 Res mee kamerabasierte Systeme uussnsensnnsennessnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnennennnnnn nen 45 2 5 Brain Computer Interfaces siisii anne nennen 46 29 LS CP SBO a ee ee ne ee 46 PB 2U BER nee ee 47 25 SVEP BOI nsere rini 48 25 A PS00 BOIS aa ee ee 49 2 5 5 Direct Brain IMenaCE Sei ae EEEE lan 49 2 9 8 BE 2000 a2 eek 50 3 Hardware zur Messung bioelektrischer Signale 52 3 1 Prinzipielles zum Messvorgang 4024024002n0nne nennen nme nennen 52 3 1 1 Monopolare und bipolare Ableitung u0224002240000nn nennen een 52 3 1 2 Der Elektrode Haut Kontakt 2 0022002000000002nn nenn nenn anne nnne nenn nnnnen 53 3 13 NOBSEUNd Arlelakle sehe ee 54 3 1 3 1 Einkopplung von St rungen Gleichtaktanteil und CMR 22220022200 nennen 54 3 1 3 2 Artefakte durch andere Biosignale s02 2440000000000000nnnnnnnn en nnnnnnnnnnnnennnnne nenn 55 3 1 3 3 Artefakte durch Bewegungen von Elektroden oder Kabeln 2000222002220o 55 3 1 3 4 Hohe oder unbalancierte Elektrodenimpedanzen 22220002222000020nnne nennen 55 3 1 3 9 Blekir denpolarisation a 2m aaa ri 56 3 1 3 6 Internes Rauschen der elektronischen Bauteile us0 24000000nnne nennen ne
5. void save_object_basics HANDLE hFile BASE_CL actobj Speichert die Position des Elements lt actob gt im Design Fenster die Anzahl der Input und Output Ports die Bezeichnung und alle Verbindungen des Elements zu nachfolgenden Elementen in einer lesbaren Form als Zeichenket te in die Datei lt hrFile gt 108 void load_object_basics BASE_CL actobj L dt die Position des Elements lt actobj gt im Design Fester die Anzahl der In put und Output Ports die Bezeichnung und alle Verbindungen zu nachfol genden Elementen aus dem Puffer GLOBAL configbuffer void parse_edf_header EDFHEADERStruct to CHANNELStruct tochn char from extrahiert EDF Header und EDF Kanal Informationen aus der Zeichenkette lt rom gt und speichert sie in die Strukturen lt to gt bzw lt tochn gt void generate_edf_header char to EDFHEADERStruct header CHANNELStruct channels Generiert aus den EDF Header und EDF Kanalinformationen der Strukturen lt header gt bzw lt channel gt eine sequentielle Zeichenkette HANDLE open_edf file EDFHEADERStruct to CHANNELStruct tochn char filename Zeigt einen Dialog zur Auswahl einer EDF Datei und extrahiert EDF Header und EDF Kanalinformationen aus dieser Datei falls m glich Im Erfolgsfall wird ein Bezeichner f r die Datei zur ckgeliefert andernfalls die Konstante INVALID_HANDLE_VALUE HANDLE create_edf file EDFHEADERStruct from CHANNELStruct f
6. IDD_CORRBOX Deutsch IDD_COUNTEREO EI JE IR JE EI Ja Je IR JE JE ea Je Ja IR JR FE Ja Je 122 6 10 3 Klassenimplementierung f r das Element Zun chst werden eine neue Header Datei h und eine neue Quellcode Datei cpp f r das Element ben tigt um das Modul zu beherbergen Die neue Objektklasse wird von der Basisklasse BASE_CL abgeleitet Der einfachste Weg die neuen Dateien zu erzeugen ist eine Kopie eines hnlichen Elements zu erzeugen und die nicht ben tigten Stellen zu l schen bzw brauchbare Stellen durch Umbenennen zu adaptieren F r dieses Beispiel werden die Dateien ob_demo h und ob_demo cpp benannt Die neue Objektklasse hei t DEMOOBJ Die Dateien m ssen zur VisualStudio Projekt umgebung hinzugef gt werden um bersetzt und eingebunden zu werden Dies ge schieht durch den Men punkt Projekt gt Dem Project hinzuf gen gt Dateien 6 10 3 1 Die Header Datei f r das Element Die Header Datei ob_demo h beinhaltet die Deklaration der neuen Klasse class DEMOOBJ public BASE_CL protected Deklaration von gesch tzten Variablen Public public Variablen k nnen von der Nachrichtenbehandlungsroutine verwendet werden inte selection Selektierter Eintrag der Auswahlbox Char ser ngi30175 Eingabe in das Textfeld ine DOS Position des Schiebereglers float InL 1n2 7 Buller fur die Werte yvon PorEE ud 2 STANDARD METHODEN DEMOOBJ int num FI Konstruktor vo
7. int midi_open_port HMIDIOUT midiout int portnum Offnet das Midi Output Ger t Nummer lt portnum gt und speichert den Be zeichner in lt HMIDIOUT gt R ckgabewert ist TRUE bei Erfolg und FALSE an dernfalls void mute_all_ midi void Beendet die Ausgabe auf allen Midi Kan len der aktuellen Design Konfiguration 6 6 Module der Verarbeitungselemente Die folgende Tabelle zeigt eine bersicht auf die Module die Elemente f r Signal Erzeugung Verarbeitung und Darstellung beinhalten Die Spalte Besonderheiten zeigt spezielle Eigenschaften f r das jeweilige Element die n tzlich f r die Entwick lung hnlicher Elemente sein k nnten Element Modul Funktionalit t Besonderheiten ob_and cpp F hrt die logische Operation AND mit den zwei Input Werten aus und gibt das Ergebnis am Output Port aus ob_average cpp Gibt den aritnmetischen Mittelwert der Br letzten n Eingabewerte am Output Port nn aus ob_avi cpp Extrahiert ein Bild aus einer AVI Film datei und zeigt es in einem Fenster Verwendet ein OpenGi Fens Die Nummer des Bildes frame wird ter zur Darstellung durch den Wert am Input Port be stimmt Implementiert ein Geschicklichkeits verwendet ein GDI Zeichen ob_ballgame cpp spiel Ping Pong kontrolliert durch fenster zur Darstellung des den Wert des Input Ports Spieles Darstellung und Speicherung eines Live Kamerafenster l uft in ob_cam cpp Live Kamerabildes Abspielen aufge eigenem Thre
8. Integrator w Acceleration E Y Acceleration a oo activate Click 5elector Standby Mouse Functions Abb 7 43 Parameterdialog des Mouse Controller Elementes Das Mouse Controller Element bietet M glichkeiten zur Steuerung des Maus Cursors am Bildschirm und dient zum Ausl sen von Maus Klicks Die aktuelle Aufl sung des Bildschirms wird in den Feldern max X Pos und max Y Pos angegeben W hrend der Laufzeit werden die Werte an den Input Ports xPos und yPos zur Be stimmung der Cursor Position verwendet Falls die Optionen x Integrator und y Integrator gew hlt sind werden die Input Werte als relative Anderungen der Position interpretiert also ein Wert von 2 f hrt pro Bearbeitungsschritt zum Erh hen der Cur sorposition um 2 Pixel Andernfalls werden die Werte als absolute Positionen inter pretiert Ein Linksklick wird vom Element ausgel st falls ein Wert ungleich INVALID_VALUE am Input Port Clik ankommt Rechtsklicks und das Aufnehmen und Ablegen Drag and Drop werden auf hnliche Weise durch die Ports r Cik und drag ausgel st Die Option activate Click Selector dient zur Darstellung eines eigenen Fensters f r die Operationen Rechtsklick Doppelklick und Drag and Drop Mit Hilfe des Click Selector Fensters k nnen diese Funktionen durch einen normalen Linksklick ausge l st werden der n chste Klick erzeugt dann die ausgew hlte Funktion Eine Einstel 158 lung f r Dwell Time unglei
9. bertragung biometrischer Daten zur Unterst tzung neurologischer Therapiema nahmen im Einsatz an Kindern beim Aufenthalt im Wasser Diplomarbeit an der Fakult t f r Ingenieurwissenschaften Fachgebiet Elektromechanische Konstruktion Universit t Duisburg Essen 2005 Online Ressource 2 9 2006 http www l lisseck de MAGO4 John J Magee Matthew R Scott Benjamin N Waber and Margrit Betke EyeKeys A Real time Vision Interface Based on Gaze Detection from a Low grade Video Camera Computer Science Department Boston University IEEE 0 7695 2158 4 04 2004 MAHO6 Sasha Mahlke Michael Minge Emotions and EMG measures of Facial Muscles in Interac tive Contexts Conference on Human Factors in Computing Systems CHI 2006 Montreal Quebec Canada 2006 MAK00 S Makeig T Jung C Humphries T Lee M J McKeown Removing electroencephalo graphic artifacts by blind source separation Psychophysiology 37 2000 163 178 Cambridge Uni versity Press MAL95 Jaakko Malmivuo Robert Plonsey Bioelectromegnetism Principles and Application of Bio electric an Biomagnetic Fields Oxford University Press 1995 MARO0O0 Michael Marwitz Ein neuer Weg zur Behandlung der essentiellen Hypertonie Integrative Biofeedback Therapie in Winfried Rief Niels Birbaumer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indikati on und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X MATO6 Mathworks Inc Matlab and the Matlab Engine Online Resso
10. Die verwendete Designkonfiguration 8 5 wurde zusammen mit einer Logitech Quickcam 5000 pro Webcam eingesetzt Zwei Applikations Umgebungen wurden zur Auswertung der Ergebnisse herangezo gen Eine Bildschirmtastatur SAW und ein Strategiespiel mit kleinen Selektionsfl chen Minesweeper 9 4 1 Schreiben mit Switch Access to Windows SAW Switch Access to Windows SAW ist eine kostenlos verf gbare Bildschirmtastatur welche die Erstellung eines flexiblen grafischen Selektionssystems f r die Eingabe von alphanumerischen Zeichen und das Ausl sen von Makros f r Systemfunktionen erlaubt Der Schreibfokus kann auf beliebige Fenster gelegt werden sodass Stan dard Textverarbeitungen Email Clients oder Web Browser ben tzt werden k nnen Neben der Auswahl ber Mausklicks k nnen die Funktionen von SAW auch durch alternative Eingabemodalit ten wie externe Schalter und automatisches Scanning ausgew hlt werden ETF a C alblelalert Aei das ist ein Test der Camera Maus el Zeile 2 Spalte 4 Abb 9 1 Verwendung von Switch Access for Windows mit der Kamera Maus Schreiben mit Notepad Die Gr e und die Anordnung der Buchstaben einer Bildschirmtastatur kann bei SAW beliebig gew hlt werden Hier wurde eine moderat gro e und alphabetische Anordnung getroffen damit noch genug Platz am Bildschirm bleibt und die Einge w hnungsphase erleichtert wird Die Bescheunigung des Mauszeigers kann durch die Designkonfiguration belie
11. Fortleitung der elekt rischen Potenziale entlang des Axons Am Ende des Axons befinden sich zahlreiche Ver stelungen an denen die Endkn pfchen sitzen Diese liegen beinahe an der O berfl che anderer Nerven oder Muskelzellen auf und bilden die Synapsen Die sy naptische bertragung erfolgt mittels Transmitterstoffen Die Transmitter werden da bei von der sendenden Nervenzelle ausgesch ttet und vom empfangenden Neuron aufgenommen wo sie zu einer Erregung oder Hemmung der Signalfortleitung beitra gen SEE06 1 2 1 Die Vorg nge an der Zellmembran Die Zellmembran besteht aus einer Doppellipidschicht und stellt eine effiziente Diffu sionsbarriere f r lonen dar Der hydrophobe innere Bereich der Membran verhindert den Durchgang von lonen und erh lt so einen Konzentrationsunterschied lonengra dienten zwischen Innenraum Zytoplasma und Au enl sung aufrecht Kanal und Transportproteine die in der Membranwand eingelagert sind erm glichen die Diffu sion bestimmter lonen oder den aktiven Transport von lonen gegen das Konzentrati onsgef lle siehe Abb 1 7 FRI98 erene REEL ER Ep amp _ Membranprotein ESRD or ner IR D 2 A z hr CN N R r PURT m N on r en lt H J F ee De h wet yi p f ihes Ti y A Aa TEAU u c 2 hr Rene i T Gi HN Ni ai X 02 e rn s DY poo N El ee a PS AGN e iini A E T h da A 9 WEN N KL T Ri ii 1 3 i E E N en Kae A tK AE d DA FEN ar u YEN
12. Grenzen f r das TIhreshold Element und die Programmierung des Correlation Elements iz 9 2 1 L ngerfristige Pl ne zur Verbesserung der Applikation Neben laufenden Korrekturen durch Feedback bestehen einige grunds tzliche Ein schr nkungen die seit l ngerem bekannt sind und deren L sung intensivere Ver n derungen oder Erweiterungen der Programmstruktur zur Voraussetzung haben e Die gleichzeitige Verbindung zu mehreren Biosignalverst rkern Dies ist derzeit nicht m glich da die interne Struktur des EEG Elementes auf einen exklusiven Betrieb mit einem Verst rker ausgelegt ist Die Verwendung mehrerer Ger te k nnte jedoch f r Mehrkanalableitungen sinnvoll sein e Der Austausch beliebiger Datentypen zwischen den Elementen In der aktuellen Software werden Float Werte durch die Konfigurationselemen te propagiert Es trat noch nie ein Fall auf wo die Weiterleitung ganzer Daten arrays oder anderer Datentypen notwendig oder sinnvoll gewesen w re Prin zipiell sind diese F lle aber durchaus denkbar etwa f r die Weiterverarbeitung des gesamten Frequenzspektrums einer FFT Analyse e Die Gruppierung beliebiger Konfigurationselemente Die Zusammenf hrung von Funktionsbl cken zu einem neuen Element w rde die bersichtlichkeit gr erer Konfigurationen erh hen Diese Bl cke k nnten auch einzeln abgespeichert und f r andere Konfigurationen verwendet wer den e Die Herausf hrung wichtiger Konfigurationsparameter d
13. Kan le und somit h here bertragungs bzw Samplingraten erm glicht und die Bi direktionalen Versionen P21 von Jarek Foltynski und P21 2 von Reiner M nch Die Protokolle P2 und P3 werden von den meisten Softwareapplikationen unterst tzt und sollen nun kurz vorgestellt werden Firmware Protokoll P2 Firmware Protokoll P3 Sync Value 0xa3 Oppppppx packet header Sync Value 0x5a XXXXXXX Version Daaaaaaa channel Frame Number Obbbbbbb channel Channel Low Byte Daaa bbb channel Channel High Byte Deccee e channel 0 LOB 1 O 2 Channel Low Byte Oddddddd channel 3 2 4 3 4 LSB and 1 MSB Channel High Byte Igec add channel Channel Low Byte Deeeeeee channel Channel High Byte OELLLELEL channel Channel Low Byte leee fff channel Channel High Byte Channel Low Byte 1 and Syn Drt Channel High Byte p 6 bit packet counter Channel Low Byte X auxilary channel byte Channel High Byte a f 10 bit samples from Button States b1l b4 ADC channels 0 5 unused must be zero Tabelle 3 11 Ubertragungsprotokolle P2 und P3 der OpenEEG Firmware NN V PP WWDDID HH 68 3 3 5 Elektroden alternative Sensoren und Hardwareerweiterungen 3 3 5 1 Die Anfertigung von Silberelektroden zur EEG Ableitung Prinzipiell k nnen mit der OpenEEG Hardware alle handels blichen Elektroden ver wendet werden wobei beim Einsatz des ModularEEG geschirmte Kabel empfohlen werden Da die Kosten f r Elek
14. Matlab Unterst tzung werden sie nicht ben tigt libeng lib libmx lib Matlab engine http www mathworks com 6 2 2 Laufzeitbibliotheken Dynamic Link Libraries DLLs Die Laufzeitbibliotheken beinhalten Funktionen der verwendeten Open Source Kom ponenten und befinden sich im selben Verzeichnis wie die ausf hrbare Datei brain bay exe Sie werden beim Start der Applikation nachgeladen BrainBay verwendet die folgenden DLLs SDL dlIl SDL_net dll SDL_sound dll Funktionen des Simple Direct Media Layer cv097 dll cvcamO097 dll cxcore097 dll highgui097 dll Funktionen von OpenCV matheval dll Funktionen des GNU math evaluators 6 3 Prinzipien der Windows Programmierung Brainbay ist eine ereignisgesteuerte Win32 Applikation event driven Die Benutzer interaktion wird durch Dialogfenster erm glicht die Umsetzung der Benutzerkom mandos geschieht in den entsprechenden Fensterfunktionen window handler Die Koordination von Ereignissen wie Tastatur oder Maus Eingaben erfolgt in einer Win dows Umgebung durch die Verarbeitung von Nachrichten messages Eine Nach richt besteht aus einem message identifier 16 bit Integer Wert und zwei Nachrich tenparameter message parameters wParam und IParam jeweils 32 bit Integer Werte Tritt ein Ereignis auf zB der Benutzer die Benutzerin dr ckt eine Taste w hlt ein Eingabefeld mit der Maus etc wird eine Nachricht mit entsprechenden Parametern vom System an die beteiligten Fenste
15. Messwerte DELO6 Figure 3 spectopo vr Fluure No 2 File Edit View Insert Tools Desktop Window Help Fils Edit Wew Imet Toos Windew Help D 0us k amp aa noA 0n 1 O aali taar Aen 6 0 10 0 Tma TOO ria FU Fr E jo N 2 0 m 00 ma D j gt o 1 10 je a 20 5 10 15 20 25 EEP scaip mapa of eel 14 gamtinunaa up IHF apiha Frequency Hz Abb 4 11 Analyse von EEG Daten mit EEGLab 4 7 2 Scilab und Octave Scilab http www scilab org und Octave EEE a http www gnu org software octave sind me u OpenSource Projekte f r die mathemati sche Analyse die einen gro en Teil der Matlab Funktionalit t kostenfrei zur Verf gung stellen Scilab bietet auch einen blockorientierten Simulator der an Simulink erinnert In Scilab bzw Octave sind hunder te Matlab Funktionen entweder voll kompa tibel oder in geringf gig anderer Schreib weise realisert Dennoch ist eine Verwen dung komplexer Applikationen wie etwa EEGLab mit den OpenSource Paketen meist nicht ohne viele nderungen m glich il mil rl jl I U ijji jr laia T I iE fati g 4 1 Abb 4 12 Scilab eine freie Alternative zu Matlab 86 4 7 3 Tempo Tempo Topographic EEG Mapping Program ist eine OpenSource Software zur 3D Visualisierung von EEG Daten von Aleksan dar B Samardzic Tempo kann das EDF Datenformat lesen und eine Animationsse quenz von topogr
16. Schlaganfall Hirnblutung und Gef verschlu isch mischer Insult sind h ufige neurologische Erkrankungen Nach einem Schlaganfall leidet die Mehrzahl der Betrof fenen unter motorischen St rungen die durch eine intensive Physiotherapie oft weitgehend korrigiert werden k nnen Die St rgr e z B Last nderung Stellglied Motoneurone gt Regler Neurone im R ckenmark F rderung von Muskelaktivit t und die Re duktion von Spasmen zur Erlangung der Selbstkontrolle ber Bewegungen sind vor rangige Ziele der Therapie zur deren Errei chung EMG Biofeedbackverfahren beitra gen k nnen Biofeedback kann zur Uber br ckung fehlender Bewegungsr ckmel dung dienen siehe Abb 2 25 Unange messene motorische Reaktionen k nnen dadurch leichter bewusst werden und der Gebrauch alternativer Strukturen wird ge f rdert Regelstrecke Muskel mit Last Regelgr e Istwert Me f hler Streckrezeptoren O F hrungsgr e Sollwert Biofeedback Abb 2 25 Verbesserung der Bewegungsrezeption durch Biofeedback Nach einer Hirnsch digung setzen mehrere Mechanismen der Reorganisation ein etwa die vermehrte Aussprossung von Neuronen am Rand der Gewebel sion oder die bernahme gest rter Funktionen durch intakte Strukturen des Gehirns MULO0O0 Diese Erholungsprozesse sind durch Training beeinflussbar Hier unterst tzt Bio feedback die Wahrnehmung intrinsischer f r den Patienten oder die Patientin kaum
17. bernommen Im Thread kann die zeitintensive Aufgabe durchgef hrt werden und bei Fertigstellung wird das betreffende Element informiert und kann die Daten in Empfang nehmen Die Verarbeitung von Kamerabildern der Webcam oder die Abfrage von Biosignal werten ber die serielle Schnittstelle sind zeitintensive Aufgaben die besser in eige nen Threads zu realisieren sind 5 4 Objektorientiertes Design Die objektorientierte Design und Programmiertechnik ist f r die Erstellung der Appli kation aus folgenden Gr nden gut geeignet e die Elemente haben gemeinsame Attribute zB ihre Position am Bildschirm die Beschriftung die Strukturen f r Ein und Ausgabeports e die Elemente haben gemeinsame Methoden zB das Laden und Speichern von Parameterwerten die Darstellung des Userdialoges die Verarbeitung von Input und Outputwerten Elemente werden in mehrfacher Weise in die Design Konfiguration eingef gt und ben tigen separate Speicherbereiche f r ihre lokalen Daten e die Elemente k nnen untereinander dynamisch verbunden werden was die Art und Reihenfolge der Ausf hrung beeinflusst Diese Eigenschaften der Programmarchitektur legen ein objektorientiertes Design nahe wobei jedes Element eine Objektklasse implementiert die von einer gemein samen Basisklasse abgeleitet ist Die Basisklasse beinhaltet die gemeinsamen Attri bute und Methoden die allen Elementklassen vererbt werden Zus tzlich werden virtuelle Methoden in der Ba
18. fWaitingOnRead wenn frei starte Leseoperation auf den seriellen Port if KReascorilet I TY COMDEV z EIY T E29 BU7 TTY amount_to_read amp dwRead amp osReader if GetLastError ERROR_IO_PENDING Fehler beim Lesen Lesen abbrechen TTY CONNECTEDSFALSE fThreadDone TRUE else fWaitingOnRead TRUE warten auf Daten else Daten sind sofort angekommen if TTY read_pause amp amp GLOBAL running ParseLocallnput int dwRead Paket parsen if fWaitingOnRead warten auf die Daten dwRes WaitForMultipleObjects NUM_EVENTHANDLES hArray FALSE READ TIMEOUT Warten auf Event switch dwRes case WAIT_OBJECT_O Lese event wurde ausgel st IL GetOverlappedResult TTY COMDEV amp osReader amp dwRead FALSE Fehler in Lese Event if GetLastError ERROR_IO_INCOMPLETE b break report_error GetOverlappedRkesult failed else Daten sind angekommen if TTY read_pause amp amp GLOBAL running ParseLocallnput int dwRead Paket parsen fWaitingOnRead FALSE break case WAIT_OBJECT_O 1 Exit Event ausgel st fThreadDone TRUE Thread beenden break default andere Fehler report_error Reader Thread does not return break CloseHandle osReader hEvent Schlie en der Event Handles return 1 EIE 6 9 Implementierung der Gesichtsdetektion Das Ziel der Implementierung der Gesichtsdetektion ist es geeign
19. links oder rechts und daraus abgeleitete Muster werden sieben Kontrollkommandos unterschieden Hinauf Hinun ter Links Rechts Linksklick Rechtsklick und Doppelklick Auch hier sind die Elekt roden zur m glichst einfachen Abnahme in ein Stirnband integriert Die Signale wer den durch einen mobilen 4 Kanal Verst rker vorverarbeitet und ber RS232 Schnittstelle an den PC gesendet Die Klassifizierung der Aktivit tsmuster des EMGs zur Unterscheidung der beabsichtigten Kommandos erfolgt durch die Differenz der gemittelten Absolutwerte des Signals difference absolute mean value DAMV und Neuronale Netze Fuzzy Min Max Algorithmus JEOO4 In einer weiteren Arbeit verwenden Kim Jeong und Son ein EMG Armband mit dem sie vier Signale von Muskeln am Unterarm abnehmen Die durchschnittliche Erken nungsrate f r sechs unterschiedliche Kommandos liegt bei 97 Prozent KIMO4 2 4 4 2 Mausersatz durch EOG EagleEyes Ein verwendbares System das den Mauszeiger mittels EOG Signalen steuert ist Eagle Eyes das am Boston College von Gips und DiMattia entwi ckelt wurde Mausklicks werden durch eine einstell bare Verweildauer des Mauscursors ausgel st Dwelling F r Eagle Eyes wurde eine Reihe von Spiel und Lernsoftware entwickelt die j ngere Per sonen mit Behinderungen unterst tzt und das Trai ning mit dem System erleichtert GIP96 Abb 2 30 EagleEyes Verwendung des Computers mittels EOG 40 2 4 4 3 Kombination von EOG u
20. r die kamerabasierte Syste me aufgrund von unkontrollierbaren Bewegungen nicht gut geeignet sind Hier kann ein Einsatz von Elektroden zur Ableitung des EMG EOG oder EEG eine sinnvolle Alternative sein Die freie Verf gbarkeit der Software als Open Source Projekt bietet einige Vorteile auch f r den Test und die Weiterentwicklung des Systems BrainBay wird ber eine eigene Internetseite http 7 brainbay lo res org angeboten siehe Anhang A Dort kann die Software als ausf hrbare Datei sowie als Quellcode bezogen werden und Beschreibungen des Systems sowie ein Benutzerhandbuch sind in englischer Spra che verf gbar In den letzten Monaten kamen dadurch Kooperationen mit Mitgliedern zweier Universit ten und mehreren Privatpersonen zustande es wurden drei neue Verarbeitungselemente programmiert die in die aktuelle Distribution der Software aufgenommen wurden Durch das Feedback der internationalen Benutzer und Benutzerinnen von BrainBay konnten einige Schwachstellen aufgedeckt und korrigiert werden andere Probleme bestehen noch und sind Gegenstand zuk nftiger Verbesserungen 9 6 Zuk nftige Entwicklungen Es besteht eine ganze Reihe von Ideen zur Erweiterung der aktuellen Software sie he 8 2 Um diese auch umsetzen zu k nnen wird die Vorstellung des Projektes bei nationalen und internationalen Subventionsgebern ein wichtiger Arbeitsschritt sein Jedenfalls ist geplant die Software weiterhin als Open Source Applikation anzubie t
21. ten erheblich erleichtert wird Auf diese Weise hergestellte Konfigurationen k nnen gespeichert geladen und auf Wunsch auch automatisch beim Systemstart ausge f hrt werden Augrund ihrer Eigenschaften lassen sich m gliche Konfigurationsele mente in drei Klassen untergliedern 5 2 1 1 Signalquellen Durch diese Art von Elementen k nnen Signale erzeugt und zur weiteren Verarbei tung in der Konfiguration zur Verf gung gestellt werden Diese Signale k nnten im Element selbst synthetisiert werden ein Signal Generator oder aus anderen Quellen stammen die durch das Element f r die Applikation zug nglich gemacht werden zB die Messwerte eines Biosignalverst rkers oder ein Datenarchiv 92 Eine Signalquelle hat zur Weiterleitung der Daten mindestens eine Verbindungsstel le an welche weitere Elemente angeschlossen werden k nnen Ouput Port 5 2 1 2 Verarbeitungselemente Diese Elemente werden zur Ausf hrung mathematischer Operationen ben tigt wel che die Transformation Kombination oder Interpretation eingehender Signalwerte erm glichen Ein Verarbeitungselement braucht mindestens eine eingehende und eine ausgehende Verbindungsstelle Input und Output Ports N tzliche Verarbei tungselemente f r die Signalbehandlung sind digitale Filter Mittelungsverfahren Mustererkennungsalgorithmen Korrelationsberechnung oder Fourier Transformation 5 2 1 3 Signalsenken Diese Elemente brauchen einen oder mehrere Input Ports S
22. tigten Methoden Jedes sinnvolle Element braucht zumindest die Methoden load und save sowie die Konstruktor und Destruktor Methoden Elemente die Daten verarbeiten brauchen auch die Methoden incoming_data und work Implementierung der Nachrichtenbehandlungsroutine f r den Benutzerdialog e Hinzuf gen eines Men eintrages zum Einf gen des neuen Elements in die Konfiguration und Aufruf der create _object Funktion im Hauptmodul brainbay cpp bei Auswahl des Men punktes siehe MainWndHandler im Modul brainbay cpp 121 Im folgenden Abschnitt werden diese Schritte anhand eines Beispiels gezeigt Ein neues Element mit dem Namen demo wird mit Hilfe der Entwicklungsumgebung Vi sualStudio C 6 0 zur bestehenden Applikation hinzugef gt 6 10 1 Eintr ge in die Header Datei brainbay h Am Beginn der Datei brainbay h findet sich die Definition einer eindeutigen Konstan ten pro Element Hier wird eine Zeile f r das neue Element OB_DEMO hinzugef gt ea define OB_FILE_WRITER 37 define OB_DEVIATION 38 define OB_MCIPLAYER 39 define OB_DEMO 40 eam Unterhalb der Konstanten f r die Identifikation des Elementes befinden sich die Defi nitionen f r die Standardbezeichnungen der Elemente in einem Feld von Zeichenket ten Hier wird der Name f r das neue Element hinzugef gt define OBJNAMES EEG MIDI FILEWRITE DEVIATION MEDIAPLAYER DEMO 6 10 2 Erzeugung eines Benutzerdialogs Zur Erstellun
23. tritt das LRP auf 2 1 5 Elektrodermale Aktivit t EDA Die Elektrodermale Aktivit t bezeichnet Ph nomene der Leitf higkeits nderung der oberen Hautschicht Stratum Corneum der Epidermis siehe Abb 2 16b Man unter scheidet zwischen dem Leitf higkeitsniveau SCL skin conductance level und der Reizantwort SCR skin conductance response Die Einheit des Hautleitwertes ist das Siemens S Der Hautwiderstand ist der Kehrwert des Hautleitwertes Ohm Das Langzeitniveau des Hautwiderstands wird mit SRL bezeichnet skin resistance level und die Spontan nderung mit SRR skin resistance response Streng genommen geh rt der Hautleitwert bzw widerstand nicht zu den bioelektri schen Signalen da zur Messung eine elektrische Spannung angelegt wird Es exis tiert jedoch auch eine passive enaosomatische Messmethode bei der elektrische Effekte der Anderung des Hautpotenzials ohne externe Spannungsquellen gemes sen werden skin potenzial level SPL Stratum Corneum ee Stratum Lucidum Herrn Stratum Granulosum eg EE a DEE E a i sef pid EET derm A p l berhaut DE EEE EEE ee En mediale Phalanx eb Y P k m ie h a Schwei dr sengang 1H Thenar EN A Hypothenar Dermi 5 Corium u l Tu Kapillargeflecht is A 4 Autonome Nervenfaser ee u e a Me GPO Mien Kapillargeflecht en iR amt arms Sekretorischer Teil der Schwei dr se Abb 2 16 a Typische Ableitung
24. zeigt die Implementierung der daf r n tigen Standard Methoden die Verwendung der zus tzlichen Methoden wird durch Ausgabe von Kontrollmeldungen dargestellt Zu Beginn der Quellcodedatei werden die Header Files inkludiert include brainBay h globale Definitionen und Strukturen include ob_demo h Element spezifische Deklarationen Klasse Danach folgt der Konstruktor f r das Object Dieser wird durch das Einf gen des Elements mittels Auswahl des Men punktes via create _object aufgerufen DEMOOBJ DEMOOBJ int num BASE_CL Element Konstruktor outports 1 Ein Output Port f r das Element inports 2 Zwei Input Ports f r das Element SLLeEPYy 1Nn POorLe IOa namen var Input Port 1 bekommt den Namen vall serepy n PporL Ss 1 sn name T val Input Port 2 bekommt den Namen val2 SELCHY OUt Pores 01 OUE Name Su Output Port bekommt den Namen out SELrCPyY sSErEng he1l9wozid P initialis erung des QuUcpyieE SEriass f Hier ist Platz f r zus tzliche Initialisierungen Falls ein Element zus tzliche Funktionalit ten wie ein eigenes Ausgabefenster oder hnliches bieten soll werden die n tigen Ressourcen ebenfalls im Konstruktor initia lisiert Als n chstes wird die Methode make_dialog implementiert die den Benutzerdialog f r das Element das Parameterfenster erzeugt Diese Methode wird aufgerufen wenn das Symbol f r das Element im Design Fenster mit
25. 13 10 2006 http www Irz muenchen de imd index htm DELO6 A Delorme T Fernsler H Serby S Makeig The EEGLab Tutorial University of San Diego California 2006 Online Ressource 13 7 2006 http www scen ucsd edu eeglab eeglabtut html DEMO5 John N Demos Getting Started with Neurofeedback W W Norton amp Company New York 2005 ISBN 0 393 70450 5 DURO4 Durka Piotr J Zygierewicz Jaroslaw Klekowicz Hubert Ginter Josef Blinowska Katarzyna J On the statistical significance of event related EEG desyncronization and synchronization in the time frequenye plane IEEE Transactions and Biomedical Engineering July 2004 Online Ressource 17 10 2006 http eeg pl Members durka Article 2004 03 12 2521 getFile EDF92 The European Data Format EDF 1992 Online Ressource 2 11 2006 http www edfplus info ERL37 Erlanger Joseph Gasser Herbert S Electrical Signs of Nervous Activity Eldridge Reeves Johnson Foundation Lectures University of Pennsylvania Press Philadelphia 1937 Second edition 1968 ERX1797 Erxleben J Chr P Anfangsgr nde der Naturlehre 6 Aufl mit Zus tzen von G C Lich tenberg G ttingen 1794 FAR88 L A Farwell E Donchin 1988 Talking off the top of your head toward a mental prosthe sis utilizing event related brain potenzials Electroencephalography and Clinical Neurophysiology 70 6 510 23 FEH89 L G Fehmi A Sundor The Effects of Electrode Placement Upon
26. 5 d relatives Elektrisches a A Potenzial 6 Abb 1 9 Wanderung kleiner lonen durch die semipermeable Membran Bildung des elektrochemischen Gleichgewichtes Es bildet sich ein Zustand des elektrochemischen Gleichgewichtes bei dem das intrazellul re negative elektrische Potenzial und das chemische Potenzial durch den verbleibenden Konzentrationsgradienten gleich gro sind siehe Abb 1 9 HELO6 1 2 3 Berechnung des Ruhemembranpotenzials Die Nernst Gleichung Das chemische Potenzial berechnet sich nach Walter Nernst wie folgt SEE06 GI 1 1 molare Gaskonstante 8 31447 J mol K absolute Temperatur in Kelvin Faraday Konstante 96485 34 C mol Valenzzahl der Elektronen Konzentration R T sa Cog W A In aunen z F C e innen oN naD Das elektrische Potenzial ist gegeben durch GI 1 2 We elektrisches Potenzial w F E F Faraday Konstante E elektrische Spannung Werden diese beiden Potenziale gleichgesetzt und R T und F zu einer Konstanten kombiniert erh lt man eine Adaption der Nernst Gleichung f r die Biologie GI 1 3 E k Jog aussen k Konstante 61 54 mV bei 37 C ran c Konzentration Bei der angenommenen Konzentration von Kalium lonen von 4 155 errechnet sich ein Ruhemembranpotenzial von 97 74 mV was in etwa den physiologischen Gege benheiten entspricht 1 2 4 Erhaltung des Gleichgewichtspotenzials die lonenpumpen Durch die Diffusionsprozesse
27. 5 Zusammenfassung und Diskussion u uussuenesenenenene nenn nennen 178 9 6 Zuk nftige Entwicklungen 222022002s02n0nnnennennnnnnennennnneneenenn 179 A Die BrainBay Homepage u222022002s02nn nen nnnnenennnenenn 180 A 1 Aufbau und Verf gbarkeit u022002200200 Ran nnn nennen nenne 180 A 2 Homepagezugriffe und Statistiken u uu0444404e nennen nennen 181 Quellen der Abbildungen 2222200004402nnneennnnnnnee een 182 BIDIOO D O ee as 186 XI Abbildungsverzeichnis Abb 1 1 Elektroskop 22u00s02200000eRnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnennnnennnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnsnnnnnnennennn 3 Abb 1 2 Leydener Flasche us 2240000020000000RRnnnnnnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnn 3 Abb 1 3 Erregung des Nerv Muskel Pr parates uuss02204000000n00nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnennnn 3 Abb 1 4 Voltaische S ule 240000020000nneennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnsennnnnnnnn 4 Abb 1 5 G lvanometer isasssssse sttrseneeas nennen nen anne senken ae tenen true heran een 4 Abb 1 6 Schematische Darstellung einer Nervenzelle 2 02400000200000neRnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnn 6 Abb 1 7 Zellmembran einer Nervenzelle mit eingelagerten Membranproteinen 7 Abb 1
28. Applikation Trainings und BClI Paradigma Visualisierung Steuerung von Effektoren Die einzelnen Module kommunizieren ber TCP IP Verbindungen k nnten also auch r umlich getrennt werden Das Operator Modul bernimmt die Konfiguration und Synchronisation der anderen Module SCH Operator system configuration visualization Source brain signals Signal control signals User event markers Proce sin event markers irat n Storage rocessing Application event markers Abb 2 44 Struktur und Komponenten der BCI2000 Applikation Auf diese Weise kann eine Vielzahl von BCl Experimenten unter Einsatz eines Rahmenwerks durchgef hrt werden was Vergleiche erleichtert und viel Program mieraufwand einspart BCI2000 kann als freie Software f r den wissenschaftlichen Gebrauch vom Wadsworth Center bezogen werden Derzeit wird die Software welt weit von ber 90 Personen und Instituten verwendet Folgende Anwendungen wur den mit BCI2000 bereits realisiert SCH e 1D 2D Cursorbewegung mittels ERD ERS Abb A e 4 fach Auswahl zur Buchstabenselektion durch ERD ERS Abb B e GCursorkontrolle durch SCP Abb C e P300 Matrix Buchstabenselektion Abb D e Auswertung von ECog Signalen 50 B BEE D EHD WHEY Abb 2 45 Beispiele f r m gliche BCI Applikationen in BCI2000 Derzeit unterst tzt BCI2000 folgende Hardwaresysteme EEG Systeme USBamp MOBllab g tec Tucker Davis Pentusa Biosemi BioRa
29. Archiv wird im Feld Time angegeben Die Schaltfl chen Play Stop und Reset kontrollieren die Wiedergabe Archive 0 0 330 3 Goto e Abb 7 10 Wechsel der Position innerhalb einer Archivdatei mithilfe der Statuszeile Mittels der n und Out Schaltfl chen kann ein Segment des Archives zur wiederhol ten Wiedergabe ausgew hlt werden Dies ist sinnvoll um bestimmte Bereiche des Archives genauer untersuchen zu k nnen Das Feld Go to wird verwendet um an eine bestimmte Position in Sekunden der Archivdatei zu springen In einer Design Konfiguration kann derzeit nur ein EEG Element aktiv sein Durch das EDF FileReader Element ist es dennoch m glich mehrere Archive im Europe an Data Format zu ffnen zu kombinieren bzw gleichzeitig abzuspielen da diese Einschr nkung f r das EDF FileReader Element nicht gilt Um den Beginn eines Archivs in Bezug zu anderen ge ffneten Archiven festzulegen wird die Einstellung Archive Offset im EEG bzw EDF FileReader Element verwendet Die Anzeige des Session Fortschritts in der Statuszeile bezieht sich dabei immer auf die Gesamtl nge aller Archive die momentan ge ffnet sind Falls ein EEG Element zum Empfang von Live Daten verwendet wird richtet sich die Geschwindigkeit der gesamten Verarbeitung nach der Ankunft dieser Daten Wird eine Archivdatei wiedergegeben richtet sich die Wiedergabegeschwindigkeit nach dem gespeicherten Wert der Archivdatei kann aber durch eine Anderung der Samp
30. Ausl sen ver schiedener T ne der Tonskalen 8 3 Eine Konfiguration f r Muskel Feedback und rehabilitation Die folgende Designkonfiguration kann zur Durchf hrung von Muskelfeedback raining und R ckmeldung von Muskelaktivit t f r Rehabilitationszwecke verwendet werden Die Ableitung der Muskelpotenziale wurde durch einen MonolithEEG Verst rker unter Verwendung des bidirektionalen P21 Protokolls bei 600 Hz Sample frequenz durchgef hrt Die Verst rkung des MonolithEEG wurde auf einen geringen Wert eingestellt da die Muskelpotenziale von etwa 500 uV den Verst rker sonst voll ausgesteuert h tten Als Oberfl chenelektroden wurden Standard BlueSensor EMG Klebeelektroden eingesetzt und am rechten und linken Oberschenkel m femoris angebracht Vier Elektroden wurden f r eine bipolare 2 Kanal Ableitung eingesetzt Abb 8 8 Einsatz von EMG Feedback zum Training der Muskelkontraktion 166 MAGNITUDE THRESHOLD MAGNITUD E THRESHOLD L OLNTER SOUME LOLNTER Abb 8 9 Elemente der Konfiguration f r das Muskeltraining In der Design Konfiguration wird ein Bandpass Filter in Form eines Magnitu de Elements angewandt um die Messwerte von Muskelpotenzialen von anderen Signalquellen zu unterschei den Die Parameter sind f r ein aktives Frequenzband von 85 115 Hz eine Fil terordnung von 4 und eine Verst rkung von 400 eingestellt Magnitude Fiter Type Bessel Bandpass o l Center Hz al H j
31. Be j eR k i F s LA Ee MIELE NA TREE i gt I were m e EEE i EJN 3 R F ir Th E ranar ARBRES TI PA E A L MEE ETES KIPI EN E rt 7 abs E r r ar K Wis ke f i 2 x x j a P E f 5 RER Phospolipid ee i Scholasterin Abb 1 7 Zellmembran einer Nervenzelle mit eingelagerten Membranproteinen Die wichtigsten lonen f r den zellul ren Signalaustausch sind Natrium Na Kalium K Calzium Ca und Chlorid Cr Die folgende Tabelle zeigt typische Konzentra tionen im Innen und Au enraum der Zelle Konzentration andere organ mMol Liter Kationen Anionen Intrazellul r ee Extrazellul r 15 4 5 10 0 Tabelle 1 1 Ionenkonzentrationen im Intra und Extrazellul rraum Die lonenverh ltnisse lassen sich wie folgt charakterisieren Im Au enraum sind viele Natrium und Chlorid Ionen gel st es handelt sich prak tisch um eine verd nnte Kochsalzl sung Im Zytoplasma hingegen befinden sich vie le Kalium Ionen und organische Anionen z B Malat und Oxalaceltat die an Stoff wechselvorg ngen wie dem Citratzyklus beteiligt sind HELO6 In diesem System existieren also zwei verschiedene Kr fte e Chemische Kr fte verursacht durch die unterschiedlichen lonen Konzentrationen die auf einen Ausgleich der Konzentrationsverh ltnisse hinwirken Elektrische Kr fte die durch ein Ungleichgewicht von positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen entstehen Hinzu kommt
32. Biopotenziale als auch visuelle Informationen ber K rperbewegungen f r den Einsatz im Biofeedback und f r die Steuerung al ternativer Eingabesysteme verf gbar macht e Adaptierbarkeit und intuitive Verwendbarkeit Die grafische Konfiguration der Verarbeitungsmechanismen bewirkt eine Fle xibilit t in der Herstellung und Adaption von Designkonfigurationen f r speziel le Anwendungsbereiche Die derzeit realisierten Basisfunktionen und transformationen erlauben den Einsatz digitaler Filter die Spektralanalyse ei ne Laufzeitauswertung von Ausdr cken das Mixen und Vergleichen von Sig nalen uvm Die Konfigurationselemente sind sowohl in ihrem Erscheinungsbild auf der grafischen Benutzeroberfl che als auch in ihrer Implementierung und in der internen Verarbeitung modulare Einheiten die nach dem Prinzip der ob jektorientierten Programmierung aufgebaut sind Jedes Element besitzt einen Benutzerdialog f r die Parametereinstellungen der meist selbsterkl rend und leicht verwendbar ist e Echtzeitverarbeitung und Echtzeitmodifikation von Einstellungen Abh ngig von der Art und Komplexit t der Designkonfiguration k nnen interne Verarbeitungsgeschwindigkeiten von mehreren kHz erreicht werden Signal generatoren und mehrere Filterkan le wurden bei 40KHz getestet Normaler weise sind Abtastraten von 100 1000Hz in der Biosignalverarbeitung ausrei chend Bei diesen Samplefrequenzen k nnen auch aufw ndige Berechnungen wie 3D Darstellun
33. Das Nervensystem der Wirbeltiere ist in das somatische Umwelt und in das vege tative autonome oder Innenwelt Nervensystem organisiert Vegetatives Nervensystem CO Parasympaticus C Sympaticus gt Ern zentrales Nervensystem Gehirn und R ckenmark Peripheres Nervensystem Motorische und sen sorische Verbindungen Abb 1 16 Zentrales und periphers Nervensystem Sympaticus und Parasympathicus Das vegetative System besteht aus dem sympathischen und dem parasympathi schen Nervensystem siehe Abb 1 16 Fast alle Organe werden von beiden Syste men innerviert Sympathicus und Parasympathicus wirken antagonistisch dieses Prinzip erm glicht eine feine Steuerung der Organe etwa der Hormondr sen FERO6 Der Parasympathicus d mpft den Herzschlag und f rdert die Verdauung er sorgt f r Ruhe und Entspannung und Schonung des Organismus Im Gegensatz dazu bewirkt der Sympathicus eine Leistungssteigerung etwa werden die Herzt tigkeit und der Blutkreislauf angeregt w hrend die Darmt tigkeit gehemmt wird Der Sympathicus versetzt den K rper in den Zustand hoher Leistungsbereitschaft dies bereitet auf Angriff Flucht Verteidigung oder au ergew hnliche Anstrengungen vor Der Transmittersubstanzen des Parasympathicus zur bertragung an den Synapsen ist AcetylIcholin der Sympathicus verwendet vor allem Adrenalin und Noradrenalin VOB06 Das Leitungsystem von Sympaticus und Parasympaticus li
34. Das zu verst rkende Signal gelangt ber die Elektrodenkabel zur Verst rkerplatine Dort sorgt als erstes eine Schaltung f r eine Strombegrenzung zum Schutz von Be nutzer in und Bauteilen ESD Protection Danach folgt die erste von drei Verst r kungsstufen die von einem hochwertigen Instrumentenverst rker INA114 Texas Instruments durchgef hrt wird Der Instrumentenverst rker bietet eine hohe Unter dr ckung des Gileichtaktanteils CMR gt 115 dB der eingestellte Verst rkungsfaktor f r den Gegentaktanteil ist 12 Um die Gleichtaktunterdr ckung weiter zu erh hen wird eine Bezugspotenzialsteuerung driven right leg circuit DRL verwendet RIJ94 Hierbei wird das Gleichtaktsignal invertiert und als aktives output Signal ber eine Elektrode an den Benutzer zur ckgesendet wodurch eine signifikante Verminderung der Gleichtaktanteile durch Ausl schung erreicht werden kann Zwischen der ersten und der zweiten Verst rkerstufe befindet sich ein Hochpassfilter zur Entfernung von Gleichspannungsanteilen die etwa durch Elektrodenpolarisie rung entstehen Die untere Grenzfrequenz dieses Filters betr gt 0 16 Hz Der Ver st rkungsfaktor der zweiten Stufe kann mittels Potentiometern von 6 bis 100 einge stellt werden So ist auch eine Verwendung f r st rkere Biosignale wie EOG oder EKG m glich Die dritte Verst rkerstufe beinhaltet einen Tiefpassfilter dritter Ordnung mit 59 Hz Grenzfrequenz Anti Aliasing Filter siehe 3 1 5 Der g
35. Die Muskulatur f r die Bewegung des Auges charakter des Auges Die physiologische Grundlage des EOG ist eine stetige Potenzialdifferenz zwischen der Netzhaut Retina und der Hornhaut Cornea wodurch das Auge die Eigen schaften eines Dipols aufweist Cornea Retinales Potenzial siehe Abb 2 8a Die Montage der Elektroden f r die horizontale Messung erfolgt links und rechts neben den Augen zur vertikalen Messung werden Elektroden knapp oberhalb und unter halb des Auges befestigt Durch das EOG k nnen verschiedene Arten von Augen bewegungen wie Sakkaden glatte Fortbewegungen Nystagmus oder Lidschlag er kannt werden Das EOG findet Anwendung in psychophysiologischen Untersuchun gen Anderung der Augenbewegungen bei kognitiven Aufgaben oder unter Stress bedingungen in der Diagnostik Pathologie der Augenmuskulatur Indikation neuro logischer Erkrankungen Untersuchungen des Gleichgewichtsorganes in der Schlaf forschung und im Bereich alternativer Computerschnittstellen Der Messbereich f r die Blickrichtung ist verglichen mit anderen Verfahren sehr hoch und betr gt etwa 70 Grad bei einer Genauigkeit von 1 5 2 Grad Nachteile sind die Beeinflussung durch Fehlerquellen wie Muskelpotenziale oder unerw nschten Lidschlag uv ao Die Amplitude des EOG betr gt bis zu 800 uV der relevante Frequenzbereich liegt zwi schen OHz Gleichspannung bei Fixierung eines Punktes bis zu etwa 20 Hz Sakka den Nystagmus Abb 2 9 ze
36. E IDD_PARTICLEBOX De IDD_SAMPLE_HOLDEO Ballgame I IDD_SETTINGSBOX De IDD_SIGNALBOX Deuts IDD_SKINDIALOGBOX IDD_STATUSBOX Deut IDD_TAGBOX Bo IDD_TCP_RECEIVEBOX a Allgemein Erweiterte Formate 5 IDD_TCP_SENDERBOX IDD_THRESHOLDBOX ID IDM_INSERTDEMO v Titel Demo IDD_TRANSLATEBOX I IDD_wAvBOX Deutsch Trennlinie F Popup Inaktiv Anhalten Keine Icon Aktiviert I Grau T Hilfe Menu IT B IDC_MAINMENU Deutsc Statuszeilentext 1 a String Table lt Ea Klassen d Ressourcen Abb 6 5 Hinzuf gen eines neuen Men eintrages mit dem Ressourcen Editor Die Behandlung des neuen Men eintrages erfolgt im Modul brainbay cpp Bei der Auswahl des Men punktes soll das Element erstellt und im Design Fenster ange zeigt werden Dies geschieht durch die Funktion create_object Eine Zeile mit die sem Aufruf ist der Men sektion in der Nachrichtenbehandlungsroutine des Haupt fensters hinzuzuf gen spa case IDM_INSERTFILE_WRITER create_object OB_FILE_WRITER break case IDM_INSERTDEVIATION create_object OB_DEVIATION break break case IDM_INSERTMCIPLAYER create_object OB_MCIPLAYER case IDM_INSERTDEMO create_object OB_DEMO break Can 128 Die Funktion create _object muss f r die Erzeugung der Objektklasse noch erweitert werden Sie befindet sich im Modul globals cpp Zu Beginn dieses Moduls wird die Header Datei des neuen Elements einget
37. Electrophysiology of Mind and Brain Academic Press pp 259 274 HEUO0 J rg Heuser Biofeedback bei chronischen R ckenschmerzen in Winfried Rief Niels Bir baumer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indikation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X HEUOOa J rg Heuser Winfried Rief Biofeedback bei Spannungskopfschmerz und Migr ne in Win fried Rief Niels Birbaumer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indikation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X INSO6 Insight Instruments Inc Biofeedbackger te Online Ressource 6 11 2006 http www insight co at JEO04 Hyuk Jeong Jong Sung Kim Jin Seong Choi A study of an EMG controlled HCI method by clenching teeth Lecture notes in computer science ISSN 0302 9743 Asia Pacific conference on computer human interaction No6 Rotorua 2004 APCHI 2004 KIMO4 Jong Sung Kim Hyuk Jeong Wookho Son A new means of HCI EMG Mouse International IEEE Conference on Systems Man and Cybernetics 2004 KEN87 P R Kennedy R A Bakey M M Moore K Adams J Goldwaithe Direct control of a com puter from the human central nervous system 1987 IEEE Trans Rehabil Eng 8 2 198 202 IKREO1 Alois Krenn Informationen zur Krankenpflege Die K rpertemperatur Online Ressource 20 9 2006 http www passail eu krankenpflege koerpertemperatur htm 188 KRO00 R Kroymann Biofeedback in der Therapie von Angstst rungen in Winf
38. MIBDLPORTSTLrUCE NIBILPORTSLMAZ MIDILFORTEST verf gbare Midi Eingabe und Ausgabeger te struet LIMINGSTtrUEt TIMING aktuelle Zeitmarker und systemspezifische Zeitkonstanten 6 5 4 4 Bezeichnungen f r die Elemente und Verbindungen char objnames 50 20 OBJNAMES Namen aller Elemente die Liste OBJNAMES ist in brainbay h definiert ehar dimens20ns 110T 1107 9 m Hz 22 35 Einheiten der Verbindugnen 6 5 4 5 Funktionsdefinitionen im Modul Globals cpp void register_classes hinstance meldet alle verwendeten Fensterklassen der Hauptinstanz beim System an void Globallnitialize void Initialisiert die SDL Umgebung f r hardwarenahe Multimediafunktionen setzt den Pfad zur Applikation die Einstellungen der seriellen Schnittstelle die Po sition und Gr e des Hauptfensters sowie Statusvariablen und Strukturen f r die Zeichenfunktionen L dt die Standardeinstellungen f r Datenaustausch mit der Biosignalhardware Firmwareprotokoll und Samplerate initialisiert die Ti ming Variablen und ffnet die Midi Ger te void GlobalCleanup void Gibt den Speicherbereich aller verwendeten Elemente durch Aufruf der Ob jekt Destruktoren frei De initialisiert die SDL Umgebung schlie t die Midi Ger te und ge ffneten COM Ports l scht die Zeichenstrukturen void create_object int type Erzeugt ein neues Objekt der durch lt type gt spezifizierten Elementklasse Ein Zeiger auf das Element wird im Feld o
39. ORT05 Pedro Ortega OpenEEG Active Electrodes Building Guide Online Ressource 10 10 2006 http www dcc uchile cl peortega ae PET03 J Peters T Fisher FidView an interactive Filter Designer Online Ressource 8 6 2006 http uazu net fiview PETO2 J Peters BwView a wavelet based EEG viewing tool Online Ressource 8 6 2006 http uazu net bwview PFU98 G Pfurtscheller 1998 EEG event related desynchronization ERD and event related syn chronization ERS In E Niedermeyer F H Lopes da Silva Eds Electroencephalography Basic Principals Clinical Applications and Related Fields 4th Edition Williams and Wilkins Baltimore pp 958 967 1998 RIE00 Winfried Rief Niels Birbaumer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indikation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X RIJ94 A C Metting Van Rijn A Peper C A Grimbergen Amplifiers for Bioelectric events A De sign with a minimal number of parts 1994 Me Biol Eng amp Comput 1994 32 305 310 SAM04 A B Samardzic The GNU LIBMatheval Online Ressource 3 5 2006 http www gnu org software libmatheval SAM05 A B Samardzic TEMPO Topographic EEG Mapping Program Online Ressource 1 6 2006 http tempo sourceforge net SCHO4 Gerwin Schalk Dennis J McFarland Thilo Hinterberger Niels Birbaumer Jonathan R Wolpaw BCI12000 A General Purpose Brain Computer Interface BCI System IEEE TRANSAC TIONS ON BIOMED
40. OpenCV OPC06 Cam Control Stop Camera display Camera Settings Mode no archive operation Frame Interval record to archive es playback from archive millzecands Y deo Archive Face track ng W enable tracking Face detection if eror gt 400 Status O current frame interval Abb 7 16 Parameterdialog des Camera Elementes Live Bild Nach dem Einf gen eines Camera Elements in die Design Konfiguration wird die Verbindung zur Kamera hergestellt und das Live Bild wird in einem separaten Fens ter dargestellt Das Zeitintervall f r den Empfang von Einzelbildern Frames wird durch den Wert von Frame Interval eingestellt Das Intervall wird in Millisekunden angegeben Um eine sinnvolle Weiterverarbeitung von Gesichtpositionen zu erm gli chen sollte ein Intervall von nicht mehr als 65 Millisekunden etwa 15 Bilder pro Se kunde gew hlt werden Mit einer geeigneten Webcam und einem Computer mit ca 2 GHz CPU Takt und USB2 0 Verbindung k nnen Frameraten von ca 25 Bildern pro Sekunde erreicht werden 142 Die Bet tigung der Schaltfl che Display Camera Settings zeigt das Einstellungsfens ter f r Kameraoptionen wo Parameter wie Helligkeit und Kontrast Spiegelung des Bildes usw justiert werden k nnen Drei Auswahlkn pfe regeln den Modus des Ca mera Elements No archive operation wird verwendet wenn das Live Bild nur dar gestellt bzw f r Bewegungserkennung verwendet werden soll Wi
41. PETO3 Das gew nschte Frequenzband wird durch Mitte center und Breite width in Hz angegeben Soll z B die Alpha Aktivit t eines Gehirnwellensignals im Bereich von 8 bis 12 Hz gemessen werden wird eine Mitte von 10 Hz und eine Breite von 4 Hz ge w hlt Die Filter Ordnung order bestimmt die Sch rfe des Filters im Frequenzbe reich Eine h here Ordnung f hrt allerdings zu einer langsameren Reaktion im Zeit bereich Das Magnitude Element gibt die Aktivit t im eingestellten Frequenzband aus ein Verst rkungsfaktor Output Gain dient zur Skalierung der Ausgabe in Pro zent 7 6 2 14 Das Mixer Element Mixer 4 Channels Channeli 4 food z Channel2 4 u poo Channel3 4 E hon Channel4 a Fi 100 0 Abb 7 32 Parameterdialog des Mixer Elementes Das Mixer Element erlaubt die Zusammenf hrung von bis zur vier Signalen mit re gelbaren Gewichtungsfaktoren in ein Signal das am Output Port ausgegeben wird Die Verst rkungsraten f r die einzelnen Eingabesignale werden durch die Schiebe regler Chanel 1 Chanel 4 in Prozent angegeben Durch Bet tigung der Schaltfl chen ChnT Chn4 wird der entsprechende Kanal exklusive ausgegeben 151 7 6 2 15 Das Sample Hold Element Das Sample Hold Element speichert den aktuellen Wert am Input Port wenn die Schaltfl che u Sample bet tigt wird Dieser Wert wird daraufhin kontinuierlich am Output Port ausgegeben SAMMPLE_HOLO Ab
42. Res sourcen Komponenten wie Dialog Boxen Buttons und Men s rc file Als weitere m gliche Entwicklungsumgebung eignet sich der freie Minimalist GNU for Windows Compiler MinGW http www mingw org MinGW ist eine Sammlung frei verf gbarer Windows spezifischer Header Files und Programmbibliotheken die in 98 Verbindung mit dem GNU Compiler Linker eine Produktion von nativen Windows Applikationen erlaubt ohne von lizenzpflichtigen Laufzeitbibliotheken abh ngig zu sein MinGW bietet allerdings keine Unterst tzung f r das Design der Benutzer schnittstelle Von Borland gibt es ebenfalls eine Entwicklungsumgebung die mittlerweile kosten frei verf gbar ist den Freeware C Builder BCC3 5 http www borland com pro ducts downloads download_cbuilder htmi BrainBay kann mit entsprechenden Ande rungen in der Projektdatei mit BCC5 5 bersetzt werden 6 2 Verwendete Bibliotheken 6 2 1 Statische Bibliotheken Da BrainBay Funktionen anderer Open Source Projekte verwendet m ssen die entsprechenden Bibliotheken f r den Link Vorgang der Applikation zur Verf gung stehen In VisualStudio werden diese Bibliotheken unter dem Men punkt Project gt Settings gt Linker angegeben 6 2 1 1 Standardbibliotheken Teil der Visual Studio Umgebung Die folgenden Standardbibliotheken beinhalten Systemfunktionen und Funktionen f r die Nachrichtenbehandlung Dateiverwaltung und Verwendung der Benutzerschnitt stelle
43. Schmerzen Bandschei Abb 2 21 Ableitungspunkte f r das EMG der benvorf lle sind zwar am bekanntesten zu meist sind die Schmerzen jedoch muskul rer Genese und durch eine reflektorische Muskelverspannung eine Verk rzung der tonischen und eine Schw chung der pha sischen Muskulatur gekennzeichnet HEU00 Das psychophysiologische Konzept der klassischen Konditionierung nimmt hier einen zentralen Stellenwert ein Schmerz f hrt zu einer reflexartigen Muskelverspannung durch die er weiter verst rkt oder in weiterer Folge auch hervorgerufen wird Diese physiologischen Prozesse k nnen auf neutrale Reize die w hrend der schmerzausl senden Situation pr sent waren kon ditioniert werden sodass diese Reize alleine schon erh hte Aktivit t in den betroffe nen Muskelgruppen und somit Schmerz ausl sen k nnen Durch das Biofeedback wird versucht gemeinsam mit dem Patienten oder der Patientin individuelle Zusam menh nge zwischen muskul ren Stre reaktionen Schmerzphysiologie und Schmerzwahrnehmung zu erarbeiten und die Rolle von Kognitionen und Verhaltens weisen bei der Schmerzaufrechterhaltung zu verdeutlichen Durch die Steigerung von Eigenaktivit t und Selbstkontrollm glichkeiten wird versucht Fehlhaltungen und Dysbalancen in spezifischen Muskelgruppen zu beeinflussen Die geeignete Metho de ist das EMG Feedback wobei zuerst ein scanning der relevanten Muskulatur im Sitzen und Stehen durchgef hrt wird um betroffene Muskelgruppen zu
44. Statuszeile aktualisiert void CALLBACK TimerProc UINT ulD UINT uMsg DWORD dwUser DWORD dw1 DWORD dw2 Die Timer Interrupt Routine die so oft wie m glich Periode 1 Millisekunde aufgerufen wird kontrolliert die Zeitspanne seit dem letzten Aufruf von pro cess_packets Wenn die verstrichene Zeit gr er oder gleich der Sample Periode 1 PACKETSPERSECOND ist wird process_packets erneut auf gerufen Wenn Archivdateien durch die Konfiguration gelesen werden wird ein Paket aus der Archivdatei geladen void start_timer void Startet die Timer Interrupt Routine void stop_timer void Stoppt die Timer Interrupt Routine 6 5 8 Modul Dialogs cpp Dieses Modul stellt Funktionen f r die grafische Benutzeroberfl che und die Verar beitung von Benutzerinteraktionen zur Verf gung Es beinhaltet die Nachrichtenbe 110 handlungsroutinen f r die Standarddialogelemente der Applikation wie das Design fenster die Statuszeile das Optionen Fenster und die Farb und Tonskaleneditoren COLORREF select_color HWND hwnd Erzeugt ein vom System zur Verf gung gestelltes Farbwahlfenster und erlaubt die Auswahl einer Farbe durch die Maus bzw die Angabe von RGB Werten Der R ckgabewert ist die gew hlte Farbe void update_toolbox_position HWND hDig i Speichert die aktuelle Position des Parameterfensters f r die Anderung von Element Einstellungen in der Struktur GLOBAL void display_toolbox HWND hDilg Das Dialogfenster lt h
45. Tec CT Computer Dies erfolgt ee Sage red 10s Poinogran neh durch Auswahl des Men punktes Network gt Start Neu roserver im Hauptmen AgCl electrodes ed Abb 7 14 Laufender Neuroserver mit aufgebauter Verbindung Je nach Verbindungsgeschwindigkeit treten bei der bertragung mittels Netzwerk Latenzzeiten auf Diese betragen im LAN wenige Millisekunden k nnen aber bei Internetverbindungen erheblich gr er werden Durch die Schaltfl che Empty Recei ve Buffer im Benutzerdialog des Elements werden aktuell gespeicherte Werte im Ein gangs Puffer gel scht und die n chsten empfangenen Werte gehen sofort an die Output Ports ixi TER RECEINE Heuroserver Iocalhost cee Biosignal Session Patient MCH 0000004 M 01 JAN 1001 Severe_0545_patient Device Startdate O2 JUL 1998 FSG 0000 00 MT Nihonk ohden SCREL Channels 1 T Segments 1120 Segment Duration 1 Samples Segment 100 SamplngratelHz 256 Channel 1 EEG Fpz Mz Y Label EEG FpeM2 Transducer gs electrodes Physical dimension BOT Physical minimum 180 Physical maximum 10 Frefiltering BF 0 16 35H2 Digital minimum 2048 Digital maximum ET Stat clear OR A atuz OK Psm Empty Receive Buffer lost packets Abb 7 15 Parameterdialog des TCP Receive Elementes 141 Verbindung des TCP Receive Elements zum Neuroserver Der Aufbau der Verbindung zum Neuroserver erfolgt durch die Eingabe der IP Adresse des Host Computers auf dem der Service l uf
46. Verf gt ein Element ber grafi sche Ausgabem glichkeiten sollten diese in einem eigenen frei positionierbaren Fenster dargestellt werden 5 2 3 Interne Organisation der Konfigurationselemente Die Elemente m ssen intern durch eine Speicherstruktur in Form einer Liste oder eines Feldes organisiert werden Da die Ausf hrung der Verarbeitung sequentiell erfolgt und mehrere Signalquellen Transformationen und Senken in einer Konfigura tion existieren k nnen ist es wichtig dass die Reihenfolge der Verarbeitung der An ordnung der Elemente in der Konfiguration entspricht Ein Quellelement das Daten an ein Zielelement sendet sollte vor dem Zielelement aktualisiert werden Die Spei cherstruktur f r die Elemente muss also beim Einf gen neuer Elemente oder beim Ziehen neuer Verbindungen auf Konsistenz berpr ft und eventuell neu sortiert wer den damit die richtige Ausf hrungsreihenfolge gew hrleistet bleibt 93 5 3 Konzepte f r den operativen Ablauf der Signalverarbeitung Die durch eine bestimmte Konfiguration von Elementen gegebene Form der Signal verarbeitung erfolgt durch eine Abarbeitung der Elemente in der gegebenen Reihen folge Die Weiterleitung und Aktualisierung der Werte soll periodisch in einem ein stellbaren Intervall der Samplerate erfolgen Werden die Rohdaten direkt von einer Biosignal Hardware empfangen wird die Samplerate durch die Geschwindigkeit der Digitalisierung vorgegeben F r eine originalgetreue
47. Wiedergabe einer Archivdatei sollte das Intervall der Samplerate der Archivdatei entsprechen Die genaue Einhal tung der Samplefrequenz ist wichtig f r die Echtzeittauglichkeit des Systems und f r eine verzerrungsfreie Wiedergabe der Daten Zur einwandfreien Funktion dieses Ablaufes m ssen folgende Ebenen in der Applika tion existieren ein Zeitmanagement das dem Aufruf der Elemente zugrunde liegt e eine bestimmte Methode pro Element die zur Durchf hrung der Aktualisierung und Verarbeitung der aktuellen Werte aufgerufen wird 5 3 1 M glichkeiten f r das Zeitmanagement Das Zeitmanagement ist abgesehen von der Men auswahl die einzige statische Struktur der gesamten Applikation Die Art und Reihenfolge der aufgerufenen Ele mente wird durch die vom Benutzer der Benutzerin erstellte Konfiguration vorgege ben Aufgabe des Zeitmanagements ist die genaue Einhaltung der Intervalle f r den Aufruf der Elemente Zur Realisierung bietet sich die Verwendung des Timer Interrupts an Durch den Timer Interrupt wird eine frei programmierbare Funktion in bestimmten Intervallen vom Betriebssystem aufgerufen Die kleinste m gliche Inter valldauer betr gt eine Millisekunde Dennoch kann nicht gew hrleistet werden dass der Aufruf tats chlich exakt in diesem Intervall stattfindet da die CPU unterschiedlich stark belastet wird und vor allem durch starke Beanspruchung durch andere Prozes se Latenzzeiten entstehen Es ist also die Verwendung e
48. Zur Darstellung von Biosignalwerten mit Sampleraten von 256Hz sind 64 bis 256 Bins geeignet was einen Kompromiss aus Genauigkeit in Zeit und Frequenz bedeutet Der Parameter Range w hlt die Fre quenzb nder zur Darstellung aus indem obere und untere Grenze in Hz angegeben werden Align left right bottom rotiert das Display Bei einer Darstellungsform als Spektrogramm oder als 3D Ansicht ist eine Farbpalette zur Darstellung der Intensi t tswerte zu w hlen Bei der Verwendung der Balkengrafik dient die Farbpalette zur Unterscheidung verschiedener Frequenzbereiche Die Gain Einstellung dient zur Verst r kung oder D mpfung des Eingangssignals Die Werte f r Gain x y und z beeinflus sen die Darstellung der berechneten Fre quenzkomponenten in der 2D und 3D An sicht Wenn die 3D Ansicht verwendet wird k nnen der Betrachtungswinkel und die Be trachtungsposition durch Klicken und Ziehen mit dem linken und rechten Mausknopf ge n dert werden Abb 7 27 3D Darstellung durch das FFT Element Das FFT Element besitzt zwei Output Ports Am ersten Port Avg l sst sich die Durchschnittsfrequenz der durch Range selektierten Frequenzb nder ablesen Der zweite Port Power gibt die gemittelte Aktivit t der gew hlten Frequenzb nder aus 7 6 2 10 Das Integrator Element Abb 7 28 Parameterdialog des Integrator Elementes Das Integrator Element addiert kontinuierlich die ankommenden Werte Durch Bet tigung
49. a a a a ada 66 3 3 2 DEF MODONNEE G Versta ko Fc a 67 3 3 2 1 Spezifikationen des Monolith EEG rreniseariiiann a a nenn 67 3 3 4 Firmware zur Verwendung der OpenEEG Hardware uu2uuuneneeneneenen 68 3 3 5 Elektroden alternative Sensoren und Hardwareerweiterungen 69 3 3 5 1 Die Anfertigung von Silberelektroden zur EEG Ableitung 20002220002020000 69 3 3 5 2 Die Anfertigung einer EMG Kappe mit Beschleunigungssensoren 2 22ussse ren 70 3 3 3 3 Aktive EE G EIleKtr denzn te areas 70 33 3 3 Aktive EEG Elekti denznsns een 71 3 23 94 Welter amp SeN Or Oiar na e a 71 3 3 5 5 Daten bertragung per Funk mit Bluetooth 22222000222200022nnnnennnnnneennnnnnennen 72 3 35 06 Ofline Dalenaufzeichung ass nes ee 72 Vi 4 Softwaremethoden der Signalverarbeitung 73 A 1 EINEATE SYSTEME areas ara tanzen sa ernennen mente 13 4 2 Grundlegendes zur Signalstatistik 002200222002000 nennen 74 4 2 1 Erwartungswert und Standardabweichung 0022200022200020nne nn 74 4 2 2 Histogramm Wahrscheinlichkeitsdichte 444 4444 nenn 75 A S DIGILAIE PIE een 75 4 31 Faltung CONVO lUO re a 77 4 3 2 Weitere Arten digitaler Filter 2 0224002000008002000nnn0nnnn nenn nnnn nenn nenn 78 2 3 FF T GOnVolUl ON aan 79 4 4 Korrelation und Autokorrelation u22002202202200
50. anderen Extremit ten indifferente Elektrode abgeleitet aVR rechter Arm zum Linken Arm linkem Fu aVL linker Arm zum rechten Arm linkem Fu aVF linker Fu zum rechten linken Arm 6 unipolare Brustwandableitungen nach Wilson Abb 2 5 V1 V2 V3 VA V5 V6 werden VIER entlang des Zwischenraumes Intercostalraum der vierten und f nften Rippe Interkostalraum beginnend rechts des Brustbeines jeweils gegen die indifferente Elektrode eg gt mittlere Adrie Zusammenschluss der drei Medioklavikularlinie Extremit tenableitungen abge leitet Abb 2 5 Die sechs Ableitepunkte an der Brustwand nach Wilson Das EKG wird als Summenvektor der einzelnen Ableitungspunkte berechnet Dies ist eine starke Vereinfachung der komplexen 3 dimensionalen Erregungsausbreitung im Herzen Dennoch kann ein e ge bte r Kardiologe in aus der EKG Ableitung Indikati onen f r eine Reihe von Herzbeschwerden wie Bradykardie zu langsamer Herz rhythmus Tachykardie zu schneller Herzrhythmus Erregungsleitungsst rung Schenkelblock AV Block Herzwandverdickungen Hypertrophien Rhythmusst rungen Vorhof oder Kammerflimmern oder einen Myokardinfarkt erkennen Eine alternative Darstellungsform ist das Vektor EKG bei dem die Erregungstortleitung als Vektorschleife r umlich dargestellt wird CARO06 linker Vorhof linke Kammer Die Pumpfunktion des Herzens geht im Normalfall vom Sinusknoten aus vr N s
51. beobachtbarer Prozesse Bei halbseitigen L hmungen kann durch das gleichzeitige Ableiten der gesunden Seite eine Vergleichsm glichkeit f r das Bewegungsmuster geschaffen werden was ein Wiedererlernen der Bewegung erleichtert Durch visuel les Feedback der Standstabilit t gemessen durch eine Messplattform k nnen Gleichgewichtsst rungen erfolgreich behandelt werden M LO0 Eine EMG getriggerte Muskelstimulation erm glicht die Aktivierung schwer gel hmter Muskeln Hierbei werden kleine Muskelpotenziale die f r eine Bewegung nicht ausreichen zur Ausl sung einer funktionellen Elektrostimulation FES des betroffenen Muskels ein gesetzt 2 3 7 1 Neurofeedback bei epileptischen Anf llen Epilepsien sind hochamplitudige hochfrequente Serien von Entladungen der Hirn nerven die auf eine St rung im intra und extrazellul ren Ionenhaushalt bzw im Transmittergleichgewicht zur ckzuf hren sind STR00 Man unterscheidet fokale partielle Anf lle die einen klaren Ausgangspunkt im EEG haben und von sehr kur zer Dauer sind von komplex fokalen Anf llen bei denen die Person nicht mehr si tuationsgerecht reagieren kann und generalisierten Anf llen die von einer totalen Bewusstlosigkeit und Muskelzuckungen gekennzeichnet sind und nicht im EEG loka lisiert werden k nnen Grand Mal Petit Mal Absence Myoklonie W hrend ein Teil der Epilepsiepatienen bzw patientinnen gut auf eine medikament se Therapie zur Steigerung des neuronale
52. dass die Zellmembran durch eingelagerte Kanalproteine f r bestimmte lonen vor allem f r Kalium durchl ssig ist w hrend gro e lonen schwerer oder gar nicht diffundieren k nnen Permeabilit t der Memb e organ K CI i ran f r lonen Anionen nn lonen relative Permeabilit t Tabelle 1 2 Permeabilit t der fi BEE TEE f r verschiedene Arten von lonen 1 2 2 Die Entstehung des Ruhemembranpotenzials relatives chemisches Potenzial der Anionen 12 eo C relatives chemisches Potenzial der Kationen 12 relatives elektrisches Potenzial 0 6 3 Abb 1 8 Elektrisches und chemisches Potenzial an der Membran Abb 1 8 zeigt idealisiert die Konzentrationsverh ltnisse von Kalium Kationen und organischen Anionen im Intrazellul rraum Das elektrische Potenzial ist ausgegli chen es wirken keine elektrischen Kr fte Das chemische Potenzial strebt jedoch nach einem Austausch mit dem extrazellul ren Milieu HELO6 Durch die Eigenschaften der semipermeablen Zellmembran k nnen die kleinen Kali um Kationen durch die Zellwand diffundieren nicht jedoch die gr eren Anionen Es entsteht ein Ausgleich der Kalium Konzentration der durch die Anderung der elektri schen Verh ltnisse zu einer Polarisierung der Zellmembran f hrt 9 relatives chemisches Potenzial 09 gt der Anionen 12 a o E relatives chemisches Potenzial P e der Kationen 6
53. dem rechten Mausknopf geklickt wird void DEMOOBJ make_dialog void display_toolbox hDlg CreateDialog hInst LPCTSTR IDD_DEMOBOX NULL DLGPROC DemoDlgHandler Erzeugung des Dialogfensters IDD_DEMOBOX ist der Bezeichner der Dialog Resource Nun folgen die oad und save Methoden Durch die Verwendung der Funktionen load_property und save_property werden Bezeichner f r die jeweiligen Parameter und die zugeh rigen Parameterwerte im lesbaren ASCIl Format in der Konfigurati 124 onsdatei con abgelegt Die Datei kann somit durch einen Texteditor importiert werden und eine nachtr gliche Anderung oder Erweiterung der Elementparameter ist m glich ohne dadurch die Konfiguration zu zerst ren void DEMOOBJ load HANDLE hFile load_object_basics this laden von Standardwerten wie Position des Element Symbols IF Anzahl der In und Output Ports und Beschriftung nun werden die drei elementspezifischen Parameter geladen load Property P08S B INT 8 amp 905 5 Position des Schiebereglers load_property selection P_INT amp selection aktuelle Selektion der Auswahlbox load_property string P_STRING string Text des Edit Feldes Hier ist Platz f r zus tzliche Initialisierungen void DEMOOBJ save HANDLE hFile 7 hrile ist ein Bezeichhner f r die ge ffnete Konfig rationsdatei save_object_basics hFile this Speichern der Standardwerte save
54. den Verbindungen und Beschriftun gen lt hWnd gt ist der Bezeichner des Design Fensters 6 5 10 Modul Midi cpp Dieses Modul stellt Variablen und Funktionen zur Konfiguration von Midi Ausgabe Ger ten und zur Erzeugung von Midi Nachrichten bereit Dadurch k nnen die Toner zeugungsmechanismen einer Soundkarte oder von externen Midi Ger ten wie Samplern Sequenzern und Drum Computern genutzt werden char midi_instnames 256 Dieses Feld von Zeichenketten speichert die Namen f r 127 Standard Midi Instumente und 127 Standard Midi Controller void init_midi void Kopiert die Namen der im System verf gbaren Midi Ausgabeger te in die MIDIPORTS Struktur und speichert die Anzahl der Ger te in GLO BAL midiports void midi_Instrument HMIDIOUT midiout int chn int inst W hlt das Instrument lt inst gt f r Kanal lt chn gt des Midi Ger tes lt midiout gt 412 void midi_ControlChange HMIDIOUT midiout int chn int cont int val Sendet die Control Change Nachricht lt val gt zum Controller lt cont gt auf Kanal lt chn gt des Midi Ger tes lt midiout gt void midi_NoteOn HMIDIOUT midiout int chn int note int vol Spielt den Midi Ton lt note gt mit der Lautst rke lt vol gt auf Kanal lt chn gt des Midi Ger tes lt midiout gt void midi_NoteOff HMIDIOUT midiout int chn int note Beendet einen eventuell noch spielenden Midi Ton lt note gt auf Kanal lt chn gt von Midi Ger t lt midiout gt
55. den die Spezifikationen einiger Biosignalverst rker genauer vorgestellt 3 2 1 Myotrace 200 Noraxon Myotrace200 Kan le Aufl sung Quantisierungsstufen Verst rkung 1 LSB h chste Verst rkungsstufe Noise CMMR Hochpass Filter Tiefpass Filter Samplerate Schnittstelle Spannungsversorgung Medizinzulassung Preis Hersteller 2 EMG k A Noraxon http www noraxon com Abb 3 10 Noraxon Myotrace200 Tabelle 3 2 Technische Daten Noraxon Myotrace200 Das Noraxon Myotrace200 ist ein EMG Trainingsger t das 2 Kan le f r Muskel feedback zur Verf gung stellt Die R ckmeldung erfolgt optoakustisch ber Display und Kopfh rer Das Myotrace200 ist f r ein unimodales 2 Kanal Ger t mit einem Preis von etwa 1 500 etwas teuer 60 3 2 2 WaveRider Pro 5U GSF i http mindpeak com Tabelle 3 3 Technische Daten Mindpeak WaveRider Beim Wave Rider sind vier Kan le f r EEG EKG EMG oder EOG nutzbar ein Kanal dient der Ableitung der EDA Die Verbindung zum Computer erfolgt ber die serielle Schnittstelle Eine 2 Kanal Version ist f r unter 1000 erh ltlich und geh rt damit zu den preisg nstigsten kommerziellen EEG f higen Biosignalverst rkern 3 2 3 Brainmaster Atlant s 4 AUX Signale Hochpass File CHE Tiefpass Filter Samplerate Abb 3 12 Brainmaster ans Medzinzulassuna fa http www brainmaster com Tabelle 3 4 Technische Daten Brainmaster Atlan
56. des Elements addiert Dann wird auf den n chsten Triggerwert gewartet Sobald alle Versuche aufgenommen wurden wechselt das Element in den Modus zur Mustererkennung und die aktuellen Werte des Signals werden mit dem aufge zeichneten Muster verglichen Hierzu wird die Differenz mit dem aktuellen Signal ge bildet und des Wert auf 0 100 normiert Dieser Wert wird am Output Port des Ele ments ausgegeben Das aufgezeichnete Segment kann in eine erp Datei gespei chert werden was n tig ist falls es wieder verwendet werden soll 146 7 6 2 7 Das Expression Evaluator Element Expression A B Apply Abb 7 24 Parameterdialog des Expression Evaluator Elementes Das Element Expression Evaluator kann bis zu sechs Input Ports haben es dient zur Auswertung von Ausdr cken welche die angeschlossenen Signale beinhalten Die Eingabesignale werden mit A B C D E F referenziert und k nnen mit numerischen Konstanten Elementarfunktionen un ren und bin ren Operatoren zu einem mathe matischen Ausdruck kombiniert werden der w hrend der Laufzeit der Konfiguration ausgewertet wird Das Ergebnis der Auswertung liegt am Output Port des Elementes an Die Implementierung des Evaluator Elements basiert auf den Funktionen der freien Bibliothek GNU Libmatheval SAM04 Unterst tzte Elementarfunktionen Exponentialfunktion exp Logarithmus log Quadratwurzel sart Sinus sin Cosinus cos Tangens tan Cotangens cot Secans
57. die vertikale bzw hori zontale Auslenkung Bei einer neueren AJ l y k uV Version des Wadsworth BCI 2004 st konnten die Personen nach dem Trai i a ning eines von acht Feldern am Bild ch ee schirm in etwa 3 Sekunden ausw hlen aa o Ta 10 20 30 40 Hz WOL91 1 98 2442 1 50Rz4 1 08R 24 0 29L 124 Abb 2 40 Zweidimensionale Auswertung von ERD ERS AT In Graz entwickelten Pfurtscheller Guger M ller Putz und Kollegen u BCls die zwi schen drei Bewegungsvorstellungen unterscheiden konnten Dazu wurden Klassifika toren auf Basis neuronaler Netze mit den Frequenzdaten der verschiedenen Bewe gungsvorstellungen trainiert Im Online Betrieb wurden die Daten mit den ermittelten Werten verglichen und so die wahrscheinlichste Bewegung gew hlt Da sich dieses System auf die vorhandenen Signal nderun gen einstellte waren schon Erfolge nach k rzeren Trainings zeiten von wenigen Stunden m glich Das Graz BC wurde unter anderem f r die Steuerung einer Orthese zur Ausf h rung einer Greifbewegung der Hand bei einem 25 j hrigen Patienten mit Querschnittsl hmung verwendet MUPO5 Die Abbildung zeigt die Unterst tzung der Greiffunktion durch ei nen Servo Mechanismus der durch eine Bewegungsvorstel lung aktiviert und deaktiviert wird In weiteren Arbeiten wurde die Greiffunktion mit einer aktiven Prothese realisiert GUG9Y9 und ein implantiertes Muskelstimulationsger t FES wu
58. ein Glasgef und tr gt auf seiner Innen und Au enfl che gegenein ander isoliert zwei leitende Schichten Die innere Schicht ist zum Aufladen mit einer Metallstange verbunden die nach au en ragt Wird die Flasche ber die Stange negativ aufgeladen so entsteht durch Influenz am u eren Belag eine positive Ladung Die ver dr ngten Elektronen entweichen in die Erde wenn die Flasche nicht isoliert steht Abb 1 2 Leydener Flasche Damals war es beliebt einer Menschenkette einen elektrischen Schlag den so ge nannten Kleist schen Sto zu versetzen Man erfreute sich an den zuckenden und springenden Opfern ERX1797 In einem Physiklehrbuch bemerkt Lichtenberg da zu Zu Paris glaubte man vor einigen Jahren gefunden zu haben dass der Sto im mer bey frigidis et impotentibus aufh re Der Graf von Artois der davon h rte berief dazu die Castraten der Oper und man fand die Beobachtung falsch Auf diese Weise ist die Elektrisiermaschine um die Ehre gekommen dereinst als ein n tzliches In strument in den Versammlungss len der Consistorien und Ehegerichte zu prangen ERX1797 Leopoldo Caldani Bologna Lehrer von Luigi Galvan zeigt 1756 dass ein isoliertes Nerv Muskel Pr parat meist der M gastrocnemius und N ischias vom Frosch durch den Stromsto eines Leidengef es erregt werden kann Luigi Galvani Bologna erweitert und vertieft diesen Befund um 1780 systematisch durch Versuche mit der Elektrisie
59. ein Einzelschritt in der Mediendatei 7 6 4 Zus tzliche Elemente 7 6 4 1 Das Documentation Element Documentation INFO Design Documentation Thiz Design provides a visual an acoustic feedback of muscle contraction at the right and left thigh bandpass filter in the range of 80 100 Hz and threshold levels of about 2504y hawe been used Two channels of the Monolith EEG amplifier have been connected to the thighe using standard EMG surface electrodes Four recordings have been made to the following archives muscle_feedbackl arc Recording date 2006 05 06 muscle_feedbackz arc Recording date 2006 05 06 muscle_feedback3 arc Recording date 2006 05 07 muscle_feedbackd arc Recording date 2006 05 06 Abb 7 48 Parameterdialog des Documentation Elementes Dieses Element stellt eine einfache Textbox f r Dokumentationszwecke zur Verf gung Es dient zur Beschreibung der Session erzeugter Archive der Einstellung von Elementen usw 161 7 6 4 2 Das Ballgame Element Pet Points 4 Best 12 Did Speed al E gt m Racket Size 4 z m 0 EEE Abb 7 49 Parameterdialog und Ausgabefenster des Ballgame Elementes Das Ballgame Element ist ein Beispiel f r ein einfaches Feedback Spiel das dem Klassiker Pong nachempfunden ist durch einen Balken Racket soll ein Ball im Spiel gehalten werden daf r erh lt man Punkte Die Position des Balkens wird dabei durch die Werte des Sign
60. eines Elementsymbols wird der Benutzerdialog dargestellt und die aktuellen Einstellungen werden sichtbar und k nnen modifiziert werden Elemente die visuelle Darstellungen zur Verf gung stellen haben separate Ausga befenster die frei am Bildschirm positioniert werden k nnen Die Positionen und Gr Ben der Fenster werden mit der Designkonfiguration gespeichert beim n chsten La den der Konfiguration wird das Bildschirmlayout wiederhergestellt 97 6 Implementierung der BrainBay Software Dieses Kapitel beschreibt die Entwicklungsumgebung f r die Applikation und Details zur Realisierung der verschiedenen Softwaremodule Wichtige Klassen und Funktio nen werden vorgestellt und anhand eines Beispiels wird beschrieben wie neue Ele mente zur Applikation hinzugef gt werden k nnen 6 1 Systemvoraussetzungen und Entwicklungsumgebung Die Applikation wurde urspr nglich auf einem 1 6 GHz Pentium Laptop Computer mit 256 MB RAM und dem Betriebssystem Windows XP Service Pack 2 entwickelt Der Compiliervorgang wurde auch auf Pentium II Rechnern mit Windows 2000 und Win dows 98 erfolgreich durchgef hrt und eine Verwendung des Programms ist auch auf diesen Plattformen m glich Der Quellcode der Software wurde unter Verwendung der Win32 API f r Systemauf rufe und grafische Benutzeroberfl che in der Programmiersprache C erstellt Das Microsoft Foundation Classes Framework MFC wurde nicht verwendet Die integ rierte Entwicklungsum
61. en 36 2 3 7 1 Neurofeedback bei epileptischen Anf llen 222u0s02200000000Rnennnn nen nnennnnee nenn 36 2 3 7 2 Neurofeedback bei Aufmerksamkeitsst rungen ss44ssnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnn 37 2 4 Unterst tzungstechnik 220024000000000nnn anne ann nnn nenn name nnnnenn 37 2 4 1 Hilfsmittel f r die direkte Eingabe naannannnannnennnnnnnnnnennnennnnnnnnnnnnnnennsennn 38 2 4 2 Scanning und alternative Schaltmechanismen us0404400ne rennen 38 2 4 3 Sprach und Umgebungssteuerungen u 22u0224200nennnnennenenne nenne nennen 39 2 4 4 Interaktion durch EMG oder EOQG 20022202220022002nnennnnnnnnennne nenn ennnenn 39 2 44 1 Malsersalz dureh ENG a 2 einen 40 2 4 4 2 Mausersatz durch EOG EagleEyes 2u0000420400000Bnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnnnnnennnnne nenn 40 2 4 4 3 Kombination von EOG und Beschleunigungssensoren uu22220022nssenennenennennnnnenennn 41 2 4 4 4 Kombination von EMG und EOG MindMouse 22u0042440000nennneonennn nennen 41 2 4 4 5 Res mee EMG und EOG Systeme unsunsnuesnnnennnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnen nn 41 2 4 5 Interaktion durch Infrarotdetektion von Bewegungsmarkenn 42 2 4 6 Interaktion durch Kamerabildanalyse 200224002240000n0 nenne nenne nennen 42 2 4 6 1 Detektion von Gesichtsposition und Gesichtsmerkmalen
62. erm glicht die gespro chene Kommunikation und das Riechen Die Basis f r die Inspiration und Exspiration sind die Atemmuskeln Zwerchfell und Interkos talmuskeln und die Elastizit t des Thorax Abb ar ee und Lungengewebes STRO0 Standard messsysteme in der Pneumologie sind die Spirometrie zur Messung des Atemvolu mens und die Pneumotachographie zur Ermittlung der Atemst rke Sie dienen zur Ermittlung der Vitalkapazit t und zur Diagnostik von Defiziten und Lungenerkrankun gen F r das Biofeedback werden aufgrund der angenehmeren Verwendbarkeit an dere Atemsensoren wie elastische Dehnungsmessstreifen Temperaturf hler f r die ausstr mende Atemluft oder Mikrofone verwendet Durch das Atemfeedback kann die Erlernung von Atemtechniken erleichtert oder ein ausgewogenes Verh ltnis von Brust und Bauchatmung trainiert werden Bauchg rtel Bauchatmung 2 2 2 K rpertemperatur Die K rpertemperatur beim gesunden Menschen liegt zwischen 36 und 37 Grad Cel sius Die Extremit ten und oberen Gewebeschichten k nnen geringere Temperatu ren aufweisen Das W rmeregulationszentrum des Organismus ist der Hypothala mus ein Teil des Zwischenhirns wo die Thermorezeptoren des K rpers zusammen laufen KREO1 Eine Regulation der K rpertemperatur erfolgt durch die Ver nderung der Durchblutung und durch Schwitzen Die K rpertemperatur schwankt tags ber in der Nacht ist sie geringer Sinkt die K rpertemperatur unter 26 Grad oder s
63. geklickt Der Bereich Session Startup erlaubt die Einstellungen von Optionen f r den Start des Programms Wenn load last design ausgew hlt ist wird die zuletzt verwendete De sign Konfiguration automatisch geladen durch Auswahl von auto run wird diese auch automatisch gestartet 132 7 2 Verwendung von Hauptmen und Statuszeile Die wichtigsten Funktionen von BrainBay k nnen durch das Hauptmen und durch die Statuszeile am unteren Fensterrand erreicht werden Das Men bietet die folgen den Eintr ge Design Erstellen einer neuen Designkonfiguration Laden oder Speichern von Konfigurationen Beenden der Applikation Insert Element Neue Elemente zum Design hinzuf gen Session Starten oder Stoppen der aktuellen Session Network Starten des Neuroservers zur Netzwerk bertragung von Biosignaldaten TCP Receive 7 6 1 5 und TCP Write Element 7 6 3 10 Tools Editoren f r Farbpaletten und Midi Tonleitern Options Einstellungen f r Kommunikation und Midi Output siehe 7 1 4 About Programmversion und Urheberinformationen Design Insert Element Session Network Tools Options About New Load Design Save Design Exit Play F7 Stop F8 Time 60 Status Configuration loaded Abb 7 2 Hauptmen und Design Fenster der BrainBay Applikation Die Statuszeile am unteren Rand des Applikationsfensters zeigt Informationen wie die aktuelle Laufzeit der Session den aktuellen Programmstatus und Schaltfl chen f r die Sessi
64. glich anderer ge ffneter Archivdateien wird durch das Feld Initial delay und Bet tigung der Schaltfl che Apply eingestellt 140 7 6 1 5 Das TCP Receive Element Das TCP Receive Element empf ngt Signalinformationen ber eine Netzwerk TCP Verbindung Dazu versucht das Element eine Verbindung zum Neuroserver Netz werk Service aufzunehmen Neuroserver ist eine Softwareentwicklung von Rudi Ci librasi die ebenfalls Teil des OpenEEG Projektes ist CILO3 Zur Verwendung des TCP Elements muss ein Neuroserver Service auf einem bekannten Computer im Netzwerk Internet oder Local Area Network LAN oder am lokalen Computer local host laufen Client Programme k nnen Daten an den Neuroserver senden oder Da ten von ihm empfangen Die bertragung basiert auf dem EDF Standard f r die An notation und Speicherung der Signale So k nnen Live Signale oder Aufzeichnungen weitl ufig ber Internet ausgetauscht werden c works eeg brainbay debug NETWORK nsd exe le x NSD lt NeuroServer Daemon v 0 7 4 Windows Der einfachste Weg das Binding network socket at 8336 Eae ket bonad TCP Receive Element zu Please start the modeegdriver Accepting from AAAHAO74 Received new connection TEOR 127 0 0 1 testen besteht im Starten Got connection on client G t 1 d aa 1 The header is lt MCH BBBBBB4 M Bi JAN 1MBL Severe_OSAS_patient eines Neuroservers am loka tare HN PSG 00007 00 MT NihonkKohden 5SCREG IHREN EHRE 00 a ee
65. kommt es zu einem permanenten Austausch von lonen durch die Zellmembran So diffundieren einige Natrium lonen durch die Membran Natrium Leckstr me Da sie positiv geladen sind neutralisieren sie die negative Ladung im Zellinneren und schw chen so das Ruhepotenzial ab Als Folge davon verlassen Kalium lonen das Innere der Nervenzelle um den Gleichgewichtszustand wiederherzustellen Auf Dauer w rde die Zelle Kalium lonen verlieren und dadurch das Ruhepotenzial abbauen Die Natrium Kalium lonenpumpe Na K ATPase ist ein Prote in welches daf r sorgt dass die Natrium lonen wieder nach au en und die Kalium lonen wieder nach innen transportiert werden siehe Abb 1 10 So wird das Ruhepotenzial aufrecht erhalten Dazu wird von der lonenpumpe Stoffwechselenergie in Form des instabilen Molek ls Adenosintriphosphat ATP verbraucht Durch Spaltung eines ATP Molek les kann die Na K ATPase drei Na lonen nach au en und zwei K lonen ins Zellinnere bef rdern Es handelt sich um einen aktiven Trans port von lonen entgegen den Konzentrationsgradienten app 1 10 Na K ATPase SEE06 1 2 5 Funktionale Einheiten in der Zellmembran die lonenkan le Ionenkan le sind Proteine die durch die Anwesenheit bestimmter chemischer Sub stanzen oder elektrischer Spannung ihre Konformation ndern k nnen und dadurch Ionen in das Zellinnere oder aus dem Zellinneren heraus wandern lassen Die membrandurchspannenden transmembranalen Segmente des Protein
66. mou Klick Aktionen anhand von Eingabe seevent zur Manipulation werten des Maus Cursors ob_not cpp F hrt die logische Operation NOT mit dem Input Wert aus und gibt das Er gebnis am Output Port aus F hrt die logische Operation OR mit dem Input Wert aus und gibt das Er gebnis am Output Port aus einer Oszilloskop Ansicht dar fenster ob_particle cpp ob_midi cpp Generiert Midi T ne entsprechen der Ruft die MMsystem API zur Eingabewerte erm glicht die Vorgabe Erzeugung von Midi von Tonleitern Kommandos auf Berechnet ein grafisches Partikelsys tem mit durch Input Werte einstellba ren Parameters wie Farbe Gravitation Geschwindigkeit etc Verwendet ein OpenGL Fens ter zur Darstellung und gibt diesen kontinuierlich am Out put Port aus ob_signal cpp Signal Generator mit einstellbarer Fre W hlbare Input Ports f r Fre quenz Signaltyp Amplitude Phase quenz und Amplitude und Offset ob_skindialog cpp Grafischer Benutzerdialog mit freier Ruft die skinstyle Bibliothek Ma Formwahl Skin f r Buttons und auf initialisiert den Benutzer Schieberegler dialog ob_tcp_receive cpp Empf ngt EDF Daten von einer LAN Baut eine Verbindung mit oder Internet Verbindung ber TCP dem Neuroserver Netzwerk Service auf dynamische An zahl von Output Ports ob_tcp_sender cpp Sendet EDF Daten zu einer LAN oder Baut eine Verbindung mit Internet Verbindung ber TCP dem Neuroserver Netzwerk Service a
67. parietalen Bereichen des Kortex bei einer bewussten Reaktion auf den Stimulus Sie eignet sich zur Verwendung in Brain Computer Interfaces die auf dem so ge nannten Oddball Paradigma beruhen wo ein bestimmter Reiz von anderen nicht relevanten Stimuli unterschieden wird siehe 2 5 Brain Computer Interfaces 2 1 4 2 ERD ERS Die ereignisbezogene Zunahme bzw Ab nahme von Frequenzaktivit t im kontinuierli chen EEG wird als Event Related Synchroni sation ERS bzw Event Related Desynchro nisation ERD bezeichnet Diese Anderung in der Magnitude bestimmter Frequenzb n der ist auch ohne phasengebundene Mitte lung im EEG festzustellen und hat ihre Ursa che in einer gro fl chigen periodisch synchronen Aktivierung der beteiligten Ner 3 4 SR sl venzellen DURO4 Eine Synchronisation tritt egung zumeist dann auf wenn die betroffenen neu Abb 2 14 ERD durch Bewegungsvorstellung ronalen Areae in Ruhe also nicht unmittelbar an einer Informationsverarbeitung beteiligt sind Die am besten erforschte Region im Bezug auf das Synchronisierungsverhalten sind die motorischen bzw supplement r motorischen Gehirnregionen Gyrus pr centralis Es konnte festgestellt werden dass kurz vor und w hrend der Ausf hrung einer Bewegung Desynchronisationen im Alpha und Beta Frequenzband stattfinden ERD Abb 2 14 Diese Ph nomene tre ten auch bei einer reinen Vorstellung von Bewegungen auf Der so genannte p Rhythmus bei etwa 1
68. r die Firmwareprotokol le P2 und P3 Diese Archivdateien werden von Designkonfigurationen verwen det und k nnen in neue Konfigurationen zum Test von Funktionen oder zur Off line Analyse eingebunden werden Dieses Unterverzeichnis wird zum Laden oder Speichern von Archivdateien vorgeschlagen e Configurations dieses Verzeichnis ist der Speicherort f r Design Konfigurationen con Dateien welche Zusammenstellungen von Elementen und Element parameter beinhalten Ein Set von Demonstrations Konfigurationen wird bei der Installation in dieses Verzeichnis abgelegt e Graphics beinhaltet Grafikdateien als Ressourcen f r den Partikel Generator und andere Elemente die Visualisierungen erm glichen e Movies beinhaltet Videodateien f r die Elemente AVI Player und MCI Player avi Dateien e Patterns beinhaltet aufgenommene Signalsegmente f r das Mustererkennungs Element ERP Detector erp Dateien e Palettes beinhaltet Farbtabellen f r Elemente die Visualisierungen erm glichen pal Dateien e Tonescales beinhaltet Tonleitern f r das Midi Element sc Dateien e Network beinhaltet ausf hrbare Dateien der Neuroserver Softwareumgebung http openeeg sourceforge net doc software NeuroServer Die Neuroserver Umgebung erm glicht das Senden und Empfangen von EDF Dateien ber eine TCP Netzwerkverbindung e Sounds beinhaltet Audio Dateien f r die Wav Player und MCI Player Elemente wav Dateien e Skindialogs e
69. sendet eine Basisstation die am Computerbildschirm montiert wird weitwinke lig Infrarotlicht aus und empf ngt die Reflexionen des Lichtes durch eine CCD Kamera Das Aufkleben eines Reflektorpunktes auf die Stirn oder auf eine Brille ist eine Voraussetzung f r die Funktion Diese Klebemarker haben etwa 5mm Durch messer Ein Bespiel ist die HeadMouse bzw die neuere HeadMou se extreme der Firma Origin Die HeadMouse wurde als am EP zus tzliches Peripherieger t an den PC angeschlossen und di o konnte direkt die RS232 Kommandos einer Maus emulieren a Die Headmouse extreme ist dabei kleiner und leichter als das Vorg ngermodell und kann ber USB Verbindung an den Computer angeschlossen werden Abb 2 32 HeadMouse extreme Origin Die Funktionsweise der Ger te TrackerPro bzw Tra cker2000 der Firma Madentec beruht auf demselben Prin zip htto www madentec com Die Zuverl ssigkeit der c Positionserkennung und die Abtastfrequenz sind bei die sen Systemen hoch die Ausl sung von Mausklicks erfolgt ber Dwell Schalter Verweilzeit bzw durch externe Tas ar de mausbewegung ter Die maximale Entfernung zum Ger t betr gt ca 150 FI cm Eine uneingeschr nkte Bewegunggsfreiheit des Kopfes ist zur Verwendung notwendig Kann nur der Kopf bewegt werden ist eine Bet tigung eines externen Schalters nur schwer m glich da sich dadurch die Kopfposition ndert Abb 2 33 Tracker Pro und eine genaue Selektion verhindert
70. sich haupts chlich mit der Messung bioelektri scher Signale mit Hilfe von Elektroden und geeigneten Verst rkern weil dadurch ein breites Spektrum von Vitalparametern vergleichsweise einfach und nichtinvasiv er schlossen werden kann Durch eine flexible Software f r die Signalverarbeitung ent steht ein kosteng nstiges System dessen F higkeiten von der Visualisierung der Messwerte in Echtzeit ber die Extraktion und Verarbeitung von Signalcharakteristika bis zur Telemetrie der Daten reicht 1 1 Geschichtliche Entwicklung des Bioelektromagnetismus Der Blitz hat die Menschen als gewaltiges Naturph nomen sicherlich schon in der Urzeit besch ftigt Erste Aufzeichnungen ber Bioelektromagnetismus finden sich 4000 v Chr Agyptische Hieroglyphen beschreiben einen elektrischen Fisch vermut lich einen Wels MAL95 Heute sind mehrere Fischarten bekannt die starke elektri sche Stromst e abgeben k nnen der Torpedorochen Torpedo panthera die Welse Malapterurus und Astroscopus Sternenstarrer und der Zitteraal Electrophorus electricus von dem Stromst e bis knapp 900 V gemessen wurden Das elektrische Organ besteht aus Zellen die in einigen tausend in Serie geschalteten S ulen den so genannten Elektroplagues organisiert sind Eine S ule kann ca 150 mV erzeu gen Die Entdeckung der elektrischen Eigenschaft mancher Fische stellt auch den Ur sprung der Elektromedizin dar Scribonius Largus empfahl im Jahre 46 n Chr die Anwend
71. und die Verbindung der Signalpfade von EEG zu Oszilloskop Element Aufzeichnung von Live Daten in eine Archivdatei Die Verbindung zum Biosignalverst rker wird wie oben beschrieben hergestellt Durch die Schaltfl che Record Archive erfolgt die Auswahl eines Verzeichnisses und Dateinamens f r die Archivdatei arc Das Format der Archivdatei entspricht den Werten des bertragungsprotokolls die von der Firmware des Ger tes erhalten wer den Eine Archivdatei kann nur vom EEG Element wieder gelesen werden Im Un terschied dazu k nnen Archive die mit dem EDF FileWriter Element erzeugt wer den auch von anderen Programmen importiert werden Die Aufzeichnung startet nach Best tigung einer zul ssigen Datei bzw durch das Starten der Session Durch Auswahl von Close Recording wird die Aufnahme beendet und die Archivdatei ge schlossen Wiedergabe aufgezeichneter Archivdateien Vor der Wiedergabe von Archiven durch das EEG Element muss ein eventuell ge ff neter Com Port geschlossen werden Dann kann durch Auswahl von Open Archive eine bestehende Archivdatei ge ffnet werden Die Einstellungen f r bertragungs protokoll und Samplerate werden entsprechend der Archivdatei ge ndert Durch das erfolgreiche Offnen einer Archiv Datei wird die Statuszeile erweitert Ein zus tzlicher Schieberegler zeigt den Fortschritt der Archivwiedergabe und dient auch zum direk ten Positionieren innerhalb des Archives 1387 Die aktuelle Position im
72. wird Ein Saug Madentec Blase Schalter w re indiesem Fall eine Alternative Der Preis f r HeadMouse extreme und TrackerPro liegt bei etwa 1 200 Euro 2 4 6 Interaktion durch Kamerabildanalyse Kameraunterst tzte Interaktionssysteme und Kommunikationshilfen erleben durch die steigende Rechnerkapazit t enorme Verbesserungen und haben viele andere Systeme in Punkto Komfort und Genauigkeit schon berholt Die gro en Vorteile sind die ber hrungsfreie Funktion und geringer Hardwareaufwand je nach System k nnen auch preisg nstige Webcams zum Einsatz kommen Mit einem Standard PC k nnen mittlerweile alle Bildverarbeitungsmethoden die f r eine zuverl ssige Gesichts und Augendetektion n tig sind in Echtzeit durchgef hrt werden Dennoch sind hochqualitative Systeme zur genauen Bestimmung der Blickrichtung auch heute noch relativ teuer da die Anforderungen an Hardware und Auswertungsalgorithmen hoch sind Das Cogain Projekt f rdert Entwicklung von Standards im Bereich der kamerabasierten Kommunikationssysteme und gibt einen berblick auf existierende Produkte COG05 Prinzipiell lassen sich preisg nstige Systeme die mithilfe einer Webcam das Gesicht und bestimmte Gesichtsmerkmale erkennen von hochaufl senden Systemen zur exakten Bestimmung der Blickrichtung unterscheiden 42 2 4 6 1 Detektion von Gesichtsposition und Gesichtsmerkmalen Margrit Betke und Kollegen zeigen in einigen interessanten Forschungsarbeiten die En
73. 0 Hz tritt also verst rkt auf wenn die motorischen Areale des Kortex nicht aktiv sind Da diese Hirnaktivit t willk rlich kontrollierbar ist eignet sie sich f r die Verwendung in Brain Computer Interfaces u BCI siehe Kapitel 2 5 2 2 1 4 3 Langsame Potenziale SCP Laterales Bereitschaftspotenzial LRP Langsame Hirnpotenziale slow cortical potenzials SCP sind ereignisbezogene Ver nderungen in den untersten Frequenzkomponenten des EEG bzw in dessen Gleichspannungsanteil Sie entstehen durch gro fl chige Negativierungen oder Posi tivierungen des Kortex und dr cken eine er h hte oder verminderte Aktivierbarkeit der neu S0 S1 ronalen Informationsverarbeiung aus BIRO0 Das Laterale Bereitschaftspotenzial lateral readiness potenzial LRP ist eine langsame Negativierung im EEG die zur Vorbereitung einer Aktion dient wenn diese bereits erwartet werden kann Die Potenzialverschiebung kann mehrere Sekunden bis zum Eintreten des Er on 0 1200 ms eignisses aufrechterhalten werden Die Beein flussung der langsamen Potenziale zur Ver ess een wendung in Brain Computer Interfaces kann li erlernt werden eine Detektion im freilaufenden ABS Langsame Poienziale beider EEG ist m glich BIR00 Abb 2 15 zeigt ge Vorbereitung einer Bewegung 94 mittelte EEG Signale bei der Bewegung der linken oder rechten Hand ausgel st durch ein akustisches Signal zum Zeitpunkt S1 Wird zuvor beim Zeitpunkt SO die Seite bekanntgegeben
74. 00000000nnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnennnnnn nen 84 Abb 4 11 Analyse von EEG Daten mit EEGLab uu0s0222040000RRnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnne nenn 86 Abb 4 12 Scilab eine freie Alternative zu Matlab 22u00s0220040neennennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 86 Abb 4 13 3D Darstellung von EEG Daten mit TEMPO s2222400000220nnnnnennennnnnnnnnnnnnn nennen nenn 87 Abb 4 14 Frequenzdarstelleung mit BioExplorer u 24000440440Rnennnennennnnnnnnnn nennen nennnenennnnennnnnnn 87 Abb 4 15 FidView Filter Designer von Jim Peters 2 04000002000nnneennnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnn 88 Abb 4 16 Wavelet Analyse von EEG Daten mit BwView uuuesssssssnnsennnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnne nn 88 Abb 4 17 BioEra Software f r Biofeedback Einsatz am PDA u uunuunuunnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 89 Abb 5 1 Funktion und prinzipieller Aufbau des geplanten Datenverarbeitungssystems 90 Abb 5 2 Grafisches Design der Signalverarbeitung in Simulink u00s022020000RRnnnnnnn en nnnnnnneennn 92 Abb 5 3 Objektorientiertes Design Bezug der Elemente zur Basisklasse Auszug 96 Abb 5 4 Entwicklungsumgebung Microsoft VisualC Dialog Editor us2222000020200eeneneneeennne 98 Abb 5 5 Weiterleitung von Nachrichten in einer Windows Applikation 22000
75. 103 00 width Hz E lj1450 Fiter Order 4 OutputGainfja00 amp Apply Abb 8 10 Filtereinstellung f r die Muskelamplitude Die Ausgabe des Magnitude Elements wird vom Averager ber 300 Samples gemit telt das entspricht einer halben Sekunde bei 600 Hz Samplefrequenz So werden schnelle Anteile und starkes Schwingen des Wertes ausgeglichen Dadurch kann die anschlie ende Schwellwert Uberpr fung durch das Threshold Element zuverl ssig durchgef hrt werden und die Anzeige im AR Fenster zeigt klar das aktuelle Aktivit tsniveau Im Threshold Element wird manuell ein fixer Grenzwert eingestellt der je nach gew nschter Kontraktionskraft gew hlt und bei erfolgreichem Training er h ht wird Bei Wahl eines niedrigen Grenz wertes f hren schon geringste Muskelkon traktionen zur Ausl sung des Feedback Signals durch die angeschlossenen Midi Elemente Zus tzlich wird durch das Errei chen des Schwellwertes f r den linken oder rechten Muskelkanal je ein Z hler erh ht Erreicht die Summe dieser Z hler den Ziel wert der durch ein zweites Threshold Element vorgegeben wird erfolgt die Aus gabe eines kurzen Musikst cks durch das Sound Element 167 256 00 uV 100 00 uV 2 none 50 00 uy 0 00 uv Play F7 Stop F8 Reset Hide Design Time 494 1 sec 00000 Status runnin er DOUBLE RIGHT DRAG 0 0 rn Abb 8 11 Darstellung einer Muskelkon
76. 13 10 2006 http www cogain org results reports COGAIN D2 1 pdf COLO1 Coleman Krista Electromyography Based Human Computer Interface to Induce Movement in Elderly Persons with Movement Impairments EC NSF Workshop on Universal Accessibility of Ubiquitous Computing Providing for the Elderly 2001 Alc cer do Sal Portugal CON J Conrad Electromagnetic Compatibility of Medical Electrical Equipment IEC 60601 1 2 Online Ressource 4 10 2006 http www abinee org br informac arquivos emcd pdf 186 CO004 T F Cootes C J Taylor Statistical Models of Appearance for Computer Vision Imaging Science and Biomedical Engineering University of Manchester 2004 Online Ressource 10 10 2006 http www isbe man ac uk bim Models app_models pdf CUNO00 Ulrich Cuntz Ruth Rauh Winfried Rief Biofeedback und Beckenbodenbehandlung von In kontinenz und Obstipation in Winfried Rief Niels Birbaumer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indi kation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X CILO3 R Ciliprasi The Neuroserver Software Framework 2003 Online Ressource 4 7 2006 http openeeg sourceforge net doc sw NeuroServer IDAHO5 Bernhard Dahme Methoden der Psychophysiologie Vorlesung an der Universit t Hamburg 2005 Online Ressource 1 8 2006 www1 uni hamburg de psych 3 seminar dahme ss05 PsPh8 ppt DAVO6 J M Davis EKG Praktikum Herz EKG in der vegetativen Physiologie 2006 Online Res source
77. 22200022200snennennn 59 Tabelle 3 2 Technische Daten Noraxon Myotrace2O0 uuenneeenessnnennnnnennnnnnnnnennnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnen nn 60 Tabelle 3 3 Technische Daten Mindpeak WaveRider uuus022020000nnnnnnnnnennnnnnnneennnnnnnneennnnnnnneennn 61 Tabelle 3 4 Technische Daten Brainmaster Atlantis ss 4444444444eeennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnn 61 Tabelle 3 5 Technische Daten Symtop EEGAmplifier 2 2u0022unseennnnnnennennnnennnnnnnnnnnnennennnnenennnnn 62 Tabelle 3 6 Technische Daten Sagura Leonardo uuuss0n00nnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 62 Tabelle 3 7 Technische Daten g Tec USBamp uuss02222000ennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 63 Tabelle 3 8 Technische Daten Neuroscan Synamp uuneensuessnsnnnneennnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn 63 Tabelle 3 9 ModularEEG technische Spezifikationen u02220002020002nnnennnnnenennn nenne nnnnne nennen 66 Tabelle 3 10 MonolithEEG technische Spezifikationen eeeeeesenseeeennnnesennennennnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnn 67 Tabelle 3 11 Ubertragungsprotokolle P2 und P3 der OpenEEG Firmware 2uussssnsnennennneenennnn 68 Tabelle 6 1 Source Module der Brainbay Applikation n nnnnnnnnnnennnnnnnnnrnnrrnerrnrrresrnrrrenrrnnnnenrnrnrenne 115 Tabelle 9 1 Ergebnisse f r das Schreiben mit der Kamera Maus unter Verwendung von S
78. 2nnne anne 79 4 5 Diskrete Fourier Transformation u0e400440Renn ernennen nn 79 4 6 Weiterf hrende Klassifikationsmethoden 22440444244s Rn 82 46 1 Neur naleiNelze sennie E A 82 26 2 PEAUNd Aare 83 EES ONN cne ea 83 4 6 4 Merkmalsextraktion in der Bildanalyse 00nnn0nnnnnnennnnnnnennnnnnnnnnnnnnennnnnne 84 AEAT Template Matching sauer 84 46 42 Haar Gl ssitier ass a aielai 84 4 06 43 LUea5 Kanade Aldokiihmusa 2a2 m FE Rue 84 4 6 4 4 Active Appearence Models 00222000000000000000Rnnnnnnn ne nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnen san 85 4 7 Softwarepakete zur Biosignalverarbeitung u044400440 Henn 85 A MOUSD SIDE een 85 ATIKEE Gap nee ee ee 86 47 2 Sell oH UN OE Werne en 86 AEE EE 0 16 EE NE AE E EUR SDIERENSSIEENEEORSILRNEURNITERTURSTREDTRUETTENSTNARENSNER 87 A TA BIOEXDIO O ee 87 47 58 OBSENEEG SOllWare aaa 87 A 921 FIONIEW Filter DESianer van ae er anenathr 88 4 7 5 2 BWView Wavelet EEG Viewer uuuassssessssnennnnnennnnnonnnnnnnnnnennnnnennnnnennnnnnnnnnennnnnennnnnenn 88 7293 BIO TO ne ee een senee 89 4 7 6 Resumee Biosignal Software n uuueesensnesnennnennennnennnnnnonnnnnnennennen nennen 89 Vii 5 BrainBay Entwurf der Applikation u0 400440 Bene nn en 90 5 1 ANnIOrderungsKalaldde er ee 90 5 2 berlegungen zur funktionalen Struktur uunnaeseseenenennnnnnnennennnenn 92 5 2 1 Konzept f r den Aufbau von Signalv
79. 3 1 3 4 Hohe oder unbalancierte Elektrodenimpedanzen Hohe bzw stark unterschiedliche Elektrodenimpedanzen verschlechtern die Gleich taktunterdr ckung des Differenzverst rkers und f hren zu starken Artefakten durch Gleichtaktanteile Ebenfalls problematisch ist eine ver nderliche Impedanz etwa durch Eintrocknung von Gel oder Schwei Eine Verminderung der Impedanz bei Oberfl chenableitungen kann durch Reinigung mit Alkohol oder durch eine Entfer nung alter Hautschichten erreicht werden 55 3 1 3 5 Elektrodenpolarisation Mit der Zeit k nnen sich durch Ladungstrennung an den Elektroden lonen ansam meln und den Ladungstransport behindern Dabei entsteht ein neues Potenzial durch die Polarisierung der Elektroden das viel gr er werden kann als die zu messenden Biosignale wodurch die Messverst rker bersteuert werden k nnten Durch die Ver wendung nicht polarisierbarer Silber Silberchlorid Elektroden Ag AgCN und den Ein satz von Hochpass Filtern bei der Verst rkung kann Polarisationseffekten weitge hend entgegengewirkt werden Die Chlorid Schicht der Ag AgCI Elektroden reagiert mit dem Elektrolyten durch die chemische Reaktion werden Elektronen ausgel st die frei wandern es kommt zu keiner Ansammlung von Ladungstr gern an den E lektroden 3 1 3 6 Internes Rauschen der elektronischen Bauteile Thermisches Rauschen und Ungenauigkeiten in den Bauteilen sind nie g nzlich zu verhindern Bei Bau der Verst rkerhardware
80. 6 1 6 Das Camera Element Webcam nneseennnensenrnressrnrrensrnrernssnrrrrnsrnrrresrnreressnnenne 142 7 0 1 7 Das 9KING12109 Eleme Nt han ee 143 7 6 2 Verarbeitungselemente 2 2u02240022000020000nnno nenne nenne nenne nenne nenne nnnnenn nen 144 7 6 2 1 Das Averager Element 2222200220400002000nonnnnnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnenn 144 7 6 2 2 Das Comparator Element 4u40s02420000000nnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 144 7 6 2 3 Das Correlation Element 4 24040s020000nnnennnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnennnnn 145 7 6 2 4 Das Counter Display Element 44444s4404n0ennnnnnnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnn nn 145 7 6 2 5 Das Debounce Element 2444000220000nnRnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnn 145 7 6 2 6 Das ERP Detect Element 00220420002000000nnnnnn nennen nennen nnnnnnennennnnnnnnnnnn nennen 146 7 6 2 7 Das Expression Evaluator Element 222420002200000020nnnennnnnn nn nnnnnn nennen nennen 147 76 26 Das Filter Elomon eating 147 18 2 9 PISF rF I e Remen ee a a a E a a E 148 70 210 D s nte rator Element eek elite 149 7 6 2 11 Die And Or und Not Elemenle n ee ea 150 70212 D3S Matap Element an san 150 7 6 2 13 Das Magnitude Element u0ss00000000000000Rnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn
81. 8 Elektrisches und chemisches Potenzial an der Membran ss24224200000020nnnn ee nnennnnn nenn 8 Abb 1 9 Bildung des elektrochemischen Gleichgewichtes s 2 24200000000n0nnnnnnnnnnnennnennnnnennnn 8 Abb 1 10 Die N K ATPase 22224uu000220nnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 9 Abb 1 11 Verlauf eines Aktionspotenzials uss02 0400000Bn00nnnnennennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 11 Abb 1 12 Aktivierung und Inaktivierung eines Natriumkanals 240004444000BR0nnnRnnennn nennen een 11 Abb 1 13 Aktivierung und Inaktivierung eines Kaliumkanals u0004444000BR0nnnRnnennn nennen een 12 Abb 1 14 Elemente der neuromuskul ren Endplatte uuss240040000000ennnnnennennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennn 13 Abb 1 15 Transmitterfreisetzung an der neuromuskul ren Endplatte uus04004000eRnennnneeenn 13 Abb 1 16 Zentrales und periphers Nervensystem uuss2420400000nnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnennnnnnnnnn 14 Abb 2 1 Ableitung des EMG vom rechten Unterarm 2 u0s0242240000 0000 nnnn nn nnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 16 Abb 2 2 Ableitungspunkte des fazialen EMG u00222240000022000000RRnnnnnnn nen nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnn 16 Abb 2 3 EMG Signalaufbereitung durch Mittelung von Absolutwerten uus2224400040
82. ALID_VALUE e Erzeugung von dynamischen oberen unteren Grenzen durch die Auswertung eines Perzentils der vorangegangenen Eingabewerte Einschr nkung der Ausgabe auf steigende oder fallende Werte e Anzeige eines Fensters mit Balkengrafik f r den aktuellen Signalwert und die eingestellten Grenzen Minimum und Maximum f r die Einstellung der Grenzen werden vom Input Port des Elementes bernommen Die dynamische Berechnung der Grenzen wird durchge f hrt wenn ein Wert ungleich null in die Felder Upper Limit oder Lower Limit einge tragen wird die neuen Grenzwerte werden so berechnet dass die letzten n Mess werte einstellbar durch den Regler Interval innerhalb bzw au erhalb der Grenze liegen Wird Rising oder Falling Values selektiert K nnen nur steigende oder fallen de Werte das Threshold Element passieren In der Sektion Meter Window k nnen Schriftart und gr e der Beschriftung Farben und Titel des Anzeigefensters be stimmt werden 7 6 3 Signalziele 7 6 3 1 Das AVI Player Element Awi File C wideos4fahrt_durch_die_au avi Open Avi File Abb 7 36 Parameterdialog und Ausgabefenster des AVI Player Elementes Das AVI Player Element dient zur Darstellungen einzelner Bilder aus Filmen im AVI Format Die AVI Datei kann durch Bet tigung von Open Avi File gew hlt und ge ff net werden Der Wert am Input Port des Elementes wird als Nummer des Bildes Frame Number interpretiert Wird durch andere Elemente eine seq
83. AW 177 Tabelle 9 2 Ergebnisse von Minesweeper mit der Kamera Maus 2 2200022220000nennneennnnneennen 178 Gleichungen l 1 12 gt Nermst Gleichung allgemein isseire r essen 8 Gk 1 2 Elektrische Potenzidk onsi eena ee era 9 GI 1 3 Nernst Gleichung in der Biologie us0222200000000000000onnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 9 GI 3 1 Gleichtaktunterdr ckung am Differenzverst rker nnnnnoannnennannnnnsennnnnnnennnrnsrnnerensnnrrresrnrrrenne 54 GI 4 1 Homogenit t eines linearen Systems uuus02220400000nnennnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnn 73 Gl 4 2 Additivit t eines linearen Systems 22204000s02n0nnnnnennennnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 74 Gl 4 3 Berechnung des Erwartungswertes ueessssenenesnnnennnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnennnnennnnnn 74 Gl 4 4 Berechnung der Standardabweichung uss04222400000nnennnn nn nnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 74 Gl 4 5 Berechnung der diskreten Faltung s00422420000200000n0Rnnnnnnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnnn 77 Gl 4 6 Berechnung der diskreten Kreuzkorrelation uss0442240000BR0ennnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnennennnnn 79 Gl 4 7 Orthogonale Basisfunktionen der DTF uss222240000020ennnnnennennnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnn nennen 80 Gl 4 8 Diskrete Fouri
84. Abb 2 18 Funktionsweise der Infrarot Plethysmographie in KRO00 Abb 2 19 Microguide Infrared Eye Movement Measuring Systems Online Ressource 23 9 2006 http www eyemove com biro htm Abb 2 20 Gyro Sensor und Beschleunigungssensor Online Ressource 24 9 2006 http www sander electronic de Abb 2 21 Ableitungspunkte f r das EMG der R ckenmuskulatur in HEU00 Abb 2 22 Ableitungspunkte f r das EMG der Gesichts und Nackenmuskulatur in HEUOOa Abb 2 23 Lage wichtiger Muskelgruppen f r die Kontinenzreaktion in CUNOO Abb 2 24 EMG Sonde f r das Beckenbodentraining Online Ressource 25 9 2006 http www yatego com q vaginalsonde Abb 2 25 Verbesserung der Bewegungsrezeption durch Biofeedback in MULOO Abb 2 26 Dominante Theta Aktivit t im EEG bei ADHD in DEMO5 Abb 2 27 IntegraMouse der Firma Livetool Online Ressource 24 10 2006 http www livetool at Abb 2 28 Sicare Pilot Umgebungssteuerung Dr Hein Gmbh Online Ressource 28 10 2006 http www sicare de Abb 2 29 Steuerung eines Flugsimulators mit EMG Signalen in WHEO3 Abb 2 30 EagleEyes Verwendung des Computers mittels EOG in GIP96 Abb 2 31 Kombination von EOG und Beschleunigungssensoren in einer Brille in WIEO3 183 Abb 2 32 HeadMouse extreme Origin Inc Online Ressource 25 8 2006 http www orin com access headmouse Abb 2 33 Tracker Pro Madentec Inc Online Ressource 25 8 2006 http www sfo
85. Bi Nutzsignal unterdr ckt werden EN k nnen LIS05 Kabelst rung 1 100 pF DC Spannung T 10 pF Abb 3 4 Kapazitive Einkopplung von 50Hz Noise U Ap differentieller Verst rkungsfaktor CMRR Al Zu GI 3 1 Uecm am Verst rkereingang anliegende Gleichtaktspannung A Ur Aussgangsspannung Die Gleichtaktunterdr ckung common mode rejection CMR ist die logarithmische Schreibweise dieser Kennzahl CMR 20 log CMRR Sie wird in dB gemessen und ist eine wichtige Kenngr e von Differenzverst rkern Moderne Instrumenten verst rker erreichen Werte von 80 dB bis 120 dB 54 Da die St rke der Einkopplung vor allem bei St rungen durch Netzbrumm oft ein Vielfaches des Nutzsignals betr gt kann das Auftreten exzessiver 50Hz Wellen den Messbereich des Verst rkers bersteuern und so zum Problem werden Folgende Schritte dienen zu einer Verminderung von Einkopplungen e eine Erh hung der Entfernung zu Stromkabeln und elektrischen Ger ten e die Verwendung einer Abschirmungsfl che Faraday scher K fig die Verminderung der Elektrodenimpedanz e die Vermeidung von Leiterschleifen ground loops e ein 50 Hz Band Sperr Filter notch filter in der Verst rkereinheit die Schirmung der Elektrodenkabel bzw die Verwendung von aktiven Schirm Treibern guarding e Verwendung einer Bezugspotenzialsteuerung driven right leg siehe 3 3 1 1 Die Schirmung einer Signalleitung durch einen umgebenden L
86. Brustwand nach Wilson in CARO6 Abb 2 6 Der Verlauf der Erregungsausbreitung im Herzen in CARO06 Abb 2 7 Die charakteristische Form des EKG in CARO06 ETIA Abb 2 8a Die Entstehung des EOG durch den Dipolcharakter des Auges Online Ressource 3 8 2006 http www uni greifswald de fsrpsych harb EOG amp EMG pdf Abb 2 8b Die Muskel f r die Augenbewegung Online Ressource 3 8 2006 http www uni greifswald de fsrpsych harb EOG amp EMG pdf Abb 2 9 Messung des EOG Online Ressource 3 7 2006 http www uni duisburg de FB9 EBS hauptteil_biosignale html Abb 2 10 Die Elektrodenpositionen nach dem 10 20 System in SEEO6 Abb 2 11 Desynchronisation der Alpha Wellen im EEG beim ffnen der Augen in SEE06 Abb 2 12 Quantitaive EEG Messung Online Ressource 20 10 2006 http www appliedneuroscience com JTFA CD AbsPower Z JPG Abb 2 13 Die P300 Komponente im EEG Signal in SEE06 Abb 2 14 Die Desynchronistaion des Mu Rhythums durch die Vorstellung einer Bewegung in DURO4 Abb 2 15 Langsame Potenziale bei der Vorbereitung einer Bewegung Online Ressource 13 10 2006 http www biosemi com cnv_example htm Abb 2 16 Elektrodermale Aktivit t Online Ressource 12 9 2006 http www uni bamberg de fileadmin uni fakultaeten ppp_professuren physiologische_psychologie Biologsche_Psychologie_Il M edA25 01 2006 pdf Abb 2 17 Abnahme der Atmenaktivit t durch dehnungssensitive Messg rtel in STROO
87. Designkonfiguration verf gbar Desien am a Abb 8 14 Konfiguration zur Steuerung eines Filmes durch die Aktivit t am Schaltkontakt In der Konfiguration wird der Wert des Output Ports B1 B4 mit einer Konstanten ver glichen die dem geschlossenen Reed Kontakt entspricht wenn B2 angeschlossen wird f hrt ein Schlie en des Kontakts zum L schen von Bit 2 also zum Wert 11 Das Debounce Element verhindert Mehrfachimpulse beim Passieren des Magne ten Das erste Counter Element misst die Frequenz des Schaltimpulses also die Drehgeschwindigkeit des Rades Dieser Wert kontrolliert die Frequenz eines Signal generators es wird also eine Umwandlung der Frequenz durchgef hrt wodurch die Schaltfrequenz des Reed Kontaktes von etwa 1 4 Hz in eine Einzelbildfrequenz f r die Filmwiedergabe von etwa 5 30 konvertiert wird Die aktuelle Filmposition die als Eingabe f r das AVI Element dient wird durch einen zweiten Counter berechnet Abb 8 15 Die Konfiguration im Einsatz eine berlandfahrt ausgef hrt im Wohnzimmer 169 8 5 Eine Kamera Maus mit Klick Funktionen Dieses Konfigurationsbeispiel zeigt die Kombination der beiden Elemente Camera und Mouse Controller zu einer einsatzf higen Kopfsteuerung f r den Mauszeiger die Personen mit L hmungen der Gliedma en als Eingabemedium dienen kann Die Bewegung des Cursors und verschiedene Klick Aktionen k nnen dadurch mittels Mimik und Kopfbewegungen ausgef hrt werden ohn
88. Dig gt wird an die gespeicherte Position des Parameter fensters verschoben und in der Reihenfolge der aktuell sichtbaren Fenster an die Spitze gestellt Top Layer Window Der Eingabefokus wird auf dieses Dia logfenster gesetzt void close_toolbox void Falls das Parameterfenster ge ffnet ist wird es geschlossen int get_scrollpos WPARAM wParam LPARAM IParam Fragt die Position eines horizontalen oder vertikalen Schiebereglers Scroll bar ab und gibt die aktuelle Position zur ck void color_button HWND hWnd COLORREF newcolor Setzt die Farbe einer durch lt hWnd gt referenzierten Fensterkomponente auf die neue Farbe lt newcolor gt LRESULT CALLBACK DesignWndHandler HWND hWnd UINT message WPARAM wParam LPARAM IParam Nachrichtenbehandlungsroutine f r das Design Fenster Hier werden alle Maus und Tastaturnachrichten zur grafischen Erstellung der Konfiguration behandelt Dazu geh rt die Anordnung und das Verschieben der Icons f r die Elemente die Erzeugung von Verbindungen zwischen den Elementen die Darstellung des elementspezifischen Parameterfensters das L schen von E lementen aus der Design Konfiguration und das Scrollen des Design Fensters Wird eine neue Verbindung zwischen zwei Elementen gelegt dient ein Aufruf der sort_objects Funktion zur Aktualisierung der Elementreihen folge damit die sequentielle Reihung f r die Signalverarbeitung gewahrt bleibt void report char Message Stellt die Meldung l
89. EEG Biofeedback Training The Monopolar Bipolar Controversy INTERNATIONAL JOURNAL OF PSYCHOSOMATICS 36 1 4 23 33 1989 FERO6 Univ Prof Dr H J Ferenz Physiologie der Tier und des Menschen Martin Luther Universi t t Halle Wittenberg 2006 Online Ressource 20 8 2006 http www2 biologie uni halle de zool physiol Materialien Vorlesung 208 PDF FINO5 Carsten Finke Okulomotorische Untersuchungen zur Modulation visueller Aufmerksamkeit durch r umliches Arbeitsged chtnis beim Menschen Dissertation Medizinische Fakult t der Charite Universit tsmedizin Berlin 2005 Online Ressource 8 10 2006 http edoc hu berlin de dissertationen finke carsten 2005 12 16 PDF finke pdf FRIY8 Stephan Frings und Dieter Grammig Vorlesungsskripte Zoophysiologie Zur Struktur und Funktion von lonenkan len November 1998 Online Ressource 6 10 2006 http www physiology de kanal ionoin htm 187 FRI98a Stephan Frings und Dieter Grammig Vorlesungsskripte Zoophysiologie Prim rprozesse bei der Muskelkontraktion November 1998 Online Ressource 6 10 2006 http www sinnesphysiologie de muskel muskelin htm GAO03 Xiaorong Gao Dingfeng Xu Ming Cheng and Shangkai Gao A BCI Based Environmental Controller for the Motion Disabled IEEE Transactions on neural systems and rehabilitation engineer ing Vol 11 No 2 June 2003 GIP96 Gips J Di Mattia P Curran FX Olivieri P 1996 Using EagleEyes to help people with special nee
90. Ein universelles System zur Anwendung von Biosignalen im Biofeedback und als Human Computer Interface Diplomarbeit von Christoph Veigl durchgef hrt am Institut integriert studieren 2006 2007 bewertet von Prof Dr Wolfgang Zagler Hintergrund und Motivation Die Messung und Analyse biologischer Signale des Organismus liefert Informationen ber Vitalfunktionen die wertvoll f r die medizinische Diagnostik und zur Kontrolle von Therapieerfolgen sind Erfolgt die Auswertung der Messergebnisse in Echtzeit d h mit einer sehr geringen Verz gerung finden sich weitere Einsatzgebiete in der Biofeedbacktherapie im Design von Schnittstellen f r die Mensch Maschine Kom munikation HCI Human Computer Interfaces oder in der Prothetik und Schrittma chertechnik Durch den Trend zur Leistungssteigerung in der Digitaltechnik eignen sich handels bliche Computer heute f r eine qualitative Auswertung von bioelektrischen Signalen und zur raschen Analyse von Live Kamerabildern Dies er ffnet M glichkeiten f r die Entwicklung preisg nstiger Hard und Softwaresysteme und deren Einsatz als The rapie und Kommunikationshilfe abseits einer Klinik Die Betrachtung des kommerziellen Angebotes an Biosignaltechnik zeigt eine Viel zahl von Produkten deren Einsatzm glichkeit sich von Ergometrie und Bewegungs therapie ber Entspannungs und Biofeedbacktraining bis zur berwachung physio logischer Funktionen und zur Verwendung als alternat
91. Einsatz von modularen Einheiten zur Herstellung von Konfigurationen e Basisfunktionen f r die Transformation und Kombination von Signalen e grafische Benutzeroberfl che f r das Konfigurationsdesign e klare Zuordnung von Optionen und Parametern zu den funktionalen Einheiten e Echtzeitverarbeitung und Echtzeitmodifikation von Einstellungen e schnelle Verarbeitung durch hardwarenahe Programmierung e Ausn tzung von Hardwarebeschleunigung z B f r Grafikfunktionen e Hinzuf gen Entfernen und Justieren von Verarbeitungselementen w hrend der Laufzeit der Signalverarbeitung e Offenheit des Laufzeitsystems Interoperabilit t Unterst tzung g ngiger Dateiformate zur Biosignalarchivierung durch Import und Exportfunktionen zB EDF oder CSV Dateien Netzwerkf higkeit Telemetrie von Biosignalen Monitoring e Online und Offlineanalyse der Daten e Verwendbarkeit als Biofeedback Software e M glichkeiten zur visuellen Darstellung von Messwerten Skalen Balkendarstellungen Z hler e Verwendbarkeit f r wichtige Biosignalklassen wie EMG EKG EEG EOG EDA Temperatur usw Multimediaf higkeit Kl nge Musik oder Filme als Feedbackoptionen e M glichkeiten zur Therapiefortschrittskontrolle Multimodalit t und Anwendbarkeit als Human Computer Interface e Verarbeitung bioelektrischer und visueller Signalquellen Webcams Algorithmen zur Merkmalsextraktion aus Videoquellen e Erzeugung von Interaktionskommandos zur Com
92. Entwicklung und die theoretische Basis des Bio elektromagnetismus und geht auf die physiologischen Grundlagen der Entstehung bioelektrischer Signale durch elektrochemische Prozesse im vitalen Nerven und Muskelgewebe ein Kapitel 2 beschreibt Arten bioelektrischer Signale ihre Charakteristika und Anwen dungsm glichkeiten Die Methode des Biofeeaback und verschiedene Formen der Feedbacktherapie werden vorgestellt Es folgt ein berblick auf Kommunikations technik f r Menschen mit motorischen Behinderungen wobei ein besonderes Au genmerk auf moderne biosignalbasierte Schnittstellen Brain Computer Interfaces und ber hrungsfreie kameraunterst tzte Verfahren vision based Human Computer Interaction gelegt wird Kapitel 3 stellt die Grundlagen des Messvorganges und die Hardwarekonzepte von Biosignalverst rkern dar Nach einem berblick auf kommerziell verf gbare Biosig nal Hardware erfolgt die Darstellung von Aufbau und Funktion der Schaltungen des OpenEEG Projektes Kapitel 4 zeigt mathematische Methoden und Algorithmen zur digitalen Signalverar beitung Die grundlegenden Funktionen und ihre Anwendung sowie m gliche Strate gien f r eine Implementierung von Klassifikatoren und Bildverarbeitungsalgorithmen werden vorgestellt In Kapitel 5 wird aus den erhobenen Rahmenbedingungen das Konzept f r eine Softwareapplikation f r Biofeedback und HCH Anwendung erstellt Die Anforderun gen der objektorientierte Aufbau die Klassenhierar
93. G TREE EDIT SE Tri 304 neuer Inhalt wird gespeichert break case IDC_BUTTON Schaltfl che wurde bet tigt report et string 5 Anzeige des Textfeldinhaltes als Nachricht break return TRUE case WM_HSCROLL ein Schieberegler wurde ge ndert int nNewPos get_scrollpos wParam 1Param Ermitteln der neuen Position des Schiebereglers st gt pos nNewPos speichern der neuen Position 1n POS break 127 case WM_SIZE Anderung der Position oder Gr e case WM_MOVE oder Position des Benutzerdialogs update_toolbox_position hDlg speichern der neuen Position break return TRUE return FALSE 6 10 4 Men eintrag zur Einf gung des Elements in eine Konfiguration Um einen Men eintrag zum Einf gen des Elements in die Konfiguration zu erstellen wird wieder der Ressourcen Editor von VisualStudio verwendet Ein Untermen des Insert Element Pulldown Men s hier wurde Others verwendet wird mit dem neuen Eintrag erweitert Der Name der Auswahl und der Bezeichner f r den Men punkt sind einzutragen vr 15x er Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen Projekt Erstellen Extras Fenster SRP a i EE K y m A mr Gh Isession_pos v en C papz Design Insert Element Session Network Tools Options About Es aj xi All gt IDD_MIXER4BOX Deuts 4 Source gt IDD_MOUSEBOX Deuts Processing gt IDD_0OSCIBOX Deutsch Target gt IDD_OUTPORTBOX De Others b Doku
94. ICAL ENGINEERING VOL 51 NO 6 JUNE 2004 SCLO2 A Schloegl BIOSIG An Open Source Library for bioelectric data processing 2002 Online Ressource 28 7 2006 http www dpmi tu graz ac at schloegl matlab http biosig sourceforge net SCNO0 Gerd Schneider Joachim Kurt Technische Prinzipien zur Messung der Augenbewegungen 2000 Humboldt Universit t Berlin Institut f r Rehabilitationswissenschaften Online Ressource 14 9 2006 http www2 hu berlin de reha eye Studie2000 tech pdf ISEE06 Dr Gunnar Seemann Bioelektrische Signale und Felder Institut f r biomedizinische Technik Universit t Karlsruhe 2006 Online Ressource 20 10 2006 http www ibt uni karlsruhe de signaleundfelder php SHEO5 Richard A Sherman The Use of Electromyograhpic and Temperature Feedback for Treat ment of Phantom Limb Pain 2005 Online Ressource 20 9 2006 http www bfe org protocol proO5eng htm 190 SIT98 R Sitzmann Elektromagnetische Vertr glichkeit in der Medizintechnik Siemens AG Bereich Medizinische Technik Erlangen Online Ressource 3 11 2006 http www healthcare siemens com medroot en news electro issues pdf heft_2_98_d 08sitzma pdf SMIO1 Steven W Smith The Scientist and Engineer s Guide to Digital Signal Processing 2001 California Technical Publishing 1st edition 1997 ISBN 096601 7633 Online Ressource 1 10 2006 http www dspguide com STROO Ute Strehl Boris Kotchoubey Niels Birbaumer Biof
95. Laterales Bereitschaftspotenzial LRP 24 2 1 5 Elektrodermale Aktivit t EDA us2susssesssesennennnenennnnnnennnenennnnnnenn 25 2 2 Nichtelektrische Biosignale u22202002000000200 000 nnn nenn anne 26 ZU 2 1010 1 e PPRSSENANERSIISSERRESEIRIBSHENE REINER KEEEINEISSERSSCERESZMEERRTEIREESBERSISPERRESPEEREERA ERNESTERERSRKEE NER INS INERSMERRSTIEGN 26 22 2 KO DL LEMDETA UT an a 26 2 23 BIUVOlUMenamplllgden enunseue nen a ar a aa 27 2 2 4 Augenbewegungen uuessssenennenennenennonennonennonennonennonennenennenennenennenennenennenenn 27 2 2 4 1 Infrarotok logra phie en E 27 2 2 4 2 VIdE00KUI09FApN en a 27 225 MME und Sprechen sure ee 28 2 2 6 Gestik und Bewegungen Monereo nenne nnenne nennen 28 2 3 Biofeedbacktherapie und ihre Anwendungen 220222e2nennneenenneo 29 2 3 1 Biofeedback bei chronischen R ckenschmerzen 4044 nennen 30 2 3 2 Biofeedback bei Spannungskopfschmerz und Migr ne 31 2 3 3 Biofeedback bei Hypertonie u02220020400020n0nenne nenne nenne nenne nenne nennen 32 2 3 4 Biofeedback bei Somatisierungspatienten und bei Angstst rungen 32 2 3 5 Biofeedback in der Therapie des chronischen Tinnitus 33 2 3 6 Biofeedback zur Behandlung von Inkontinenzproblemen 34 2 3 7 Biofeedback bei Neurologischen Erkrankungen 2 200224002enneneneen
96. Port berechnet wurden 6 7 2 Realisierung des Zeitmanagements Der Aufruf der Konfigurationselemente erfolgt durch ihre work Methoden Durch die Funktion process _packtes werden die work Methoden aller Elemente in der richtigen Reihenfolge ausgef hrt Ziel ist dass dieser Aufruf m glichst genau im In tervall der aktuellen Samplefrequenz stattfindet Der Zeitpunkt des Aufrufes wird ent weder durch den Timer Interrupt oder durch einen Erhalt eines vollst ndiges Daten paketes vom Biosignalverst rker bestimmt Auf diese Weise werden alle Elemente mit aktuellen Daten versorgt void process_packets void static double carc TAE T TIMING ppscounter Ermittlung der Pakete pro Sekunde TIMING packetcounter Pakete total for t 0 t lt GLOBAL objects t tt t objects t gt work Aufruf der work Methoden if TIMING dialog_update update_statusinfo Aktualisierung der Zeit Die Timer Interrupt Funktion wird periodisch im Millisekundentakt aufgerufen Durch den aktuellen Wert des PerformanceCounters wird entschieden ob ein Aufruf der Elemente erfolgt bzw ob von der Archivdatei gelesen werden soll void CALLBACK TimerProc UINT ulID UINT uMsq DWORD dwUser DWORD dwl1 DWORD dw2 LONGLONG pc QueryPerformanceCounter _LARGE_INTEGER amp pc TIMING acttime pc check_keys berpr fung aktueller Hot Keys if TIMING pause_timer if pc TIMING timestamp gt TIMING pc
97. Pr sentationszeitpunkt phase locking verschwinden die Sig nalanteile die mit der Reaktion auf den Reiz nichts zu tun haben durch Mittelung der zuf lligen Anteile Der Signal Rausch Abstand steigt Man spricht bei dem ermittelten Signal von einem evozierten Potenzial evoked potenzial EP es stellt die unmittel bare physiologische Reaktion auf den Reiz dar Je nach Art des pr sentierten Stimu lus lassen sich visuell evozierte Potenziale VEP auditorisch evozierte Potenziale AEP oder somatosensorisch evozierte Potenziale SSEP messen deren Form charakteristisch ist Abweichungen in den EPs k nnen auf pathologische Ver nde rungen bzw auf den Ort der Ver nderung hindeuten Die Amplitude der EPs reicht von Bruchteilen eines uV bis zu einigen yV Unter dem ereigniskorrelierten Potenzial EKP event related potenzial ERP versteht man die evozierten Potenziale h herer Hirnschichten EKPs werden durch kognitive Prozesse wie Er innerung Aufmerksamkeit oder Erwartung ei nes Reizes beeinflusst EKPs werden ebenfalls durch Mittelung aus dem Testsignal herausge hoben An der Schwelle zur Bewusstwerdung kann eine charakteristische Signalkomponente im EKP identifiziert werden die P300 Komponente P3 siehe Abb 2 13 Abb 2 13 Die P300 Komponente 23 Sie bezeichnet eine signifikante Positivierung im Signal ca 300ms nach einem Reiz der relevant f r eine aktuelle Aufgabe ist Man findet die P300 Komponente vor allem in
98. _evaluator cpp Evaluiert einen mathematischen Aus Ruft die GNU Matheval Bib druck der bis zu sechs Eingabesignale liothek auf beinhaltet ob_fft cpp F hrt eine fast fourier Transformation FFT durch und stellt das Ergebnis in Verwendet ein einem Balkendiagramm einem OpenGL Fenster zur Darstel Spektrogramm oder in einer 3D Grafik lung dar ob_file_writer cpp Schreibt die Eingabewerte in ein Text Dynamische Anzahl von In file das zB von Excel ge ffnet werden put Ports kann ob_filter cpp Wendet einen einstellbaren Filter auf Zeigt die Filter Antwort im Be das Input Signal an nutzerdialog ob_integrate cpp Summiert die Werte des Input Signals a ob_magnitude cpp Gibt die Magnitude eines einstellbaren Frequenzbandes am Output Port aus ob_matlab cpp Transferiert ein Feld von Eingabewer Ruft Funktionen der ten zur Matlab Engine gibt den Wert Matlab Bibliotheken auf der ANS Variable am Output Port aus 41142 ob_eeg cpp Element Modul Funktionalit t Besonderheiten ob_mci cpp Schnittstelle zum Windows Multimedia Player getriggertes Abspielen von Ruft die Video for Windows Musik oder Videodaten und die nde API auf zeigt Filme in einem rung der Lautst rke oder der Abspiel seperaten Fenster geschwindigkeit ob_mixer4 cpp Kombiniert bis zu vier Eingabesignale mit einstellbarer Gewichtung in ein Ausgabesignal ob_mouse cpp Steuert den Maus Cursor und die Verwendet die Funktion
99. _property hFile pos P_INT amp pos save_property hFile selection P_INT amp selection save_property hFile string P_STRING string Die Reihenfolge des Speicherns der Parameter ist unkritisch da beim Laden der ganze Block von Elementparametern f untersucht wird Hier werden nur String und Integer Werte ben tigt f r Gleitkommawerte wird der Typ P_FLOAT verwendet F r Elemente die gr ere Datenmengen erzeugen wie zB Farbtabellen Tonleitern oder Signalwerte empfiehlt sich die Ablegung dieser Informationen in externen Da teien da die Konfigurationsdatei sonst zu stark anwachsen w rde In der Konfigura tionsdatei werden in diesem Fall nur die Dateinamen der zus tzlichen Ressourcen abgelegt die Daten selbst werden in den load und save Methoden separat gela den bzw gespeichert Verwendet das Element zus tzliche Speicherbereiche wie zB Wertepuffer ist die Allokation bzw Freigabe dieser Speicher in der load Methode durchzuf hren um Mehrfachallokationen beim Laden der Konfiguration zu vermei den Beispiele hierf r sind die Filter und Magnitude Elemente Nun folgt die Implementierung der incoming_data Methode die sich um die Be handlung eintreffender Werte ber die Input Ports k mmert voO14 DEMOOBJ SIneoSmang data int Port float value if value I TNVALID VALUE Verwerfen von INVALID VALUES if port 0 inl value Speichern eintreffender Werte von Input P
100. ad verwendet zeichneter Kamerabilder Gesichtser die OpenCV Library kennung auf Basis der Kamerabilder ob_compare cpp Vergleicht die Werte zweier Input Ports gibt das Ergebnis am Output Port aus 1 Element Modul Funktionalit t Besonderheiten Gibt eine Kommandosequenz auf den ob_com _writer cpp Com Port aus der zum Einlesen von Biosignalen ge ffnet wurde bidirektio nal ehe EEE put Port aus ob_correlation cpp Gibt die Kreuzkorrelation zweier ange schlossener Signale am Output Port aus ob_counter cpp z hlt die Anzahl von TRUE FALSE nderungen des Signals am Input Port verwendet ein GDI Zeichen und stellt das Ergebnis oder den direk fenster zur Ausgabe ten Signalwert in einem Fenster dar ob_debounce cpp Entfernt TRUE FALSE Anderungen aus dem Input Signal arem OOO des Signals Tee asa onszwecke zur Verf gung und gibt die Signale an den Output put Ports Ports aus put Ports Baut eine Verbindung zum Biosignal Erzeugt einen Lese Thread Verst rker auf stellt aktuelle Werte zum Empfang der Daten von oder Archivdaten an den Output Ports der seriellen Schnittstelle zur Verf gung taktet beim Empfang von Biosignaldaten die Verarbei tung aller Elemente ob_erpdetect cpp Speichert und mittelt ein Segment des Input Signals Aufnahmemodus gibt Stellt das Signalsegment im die Differenz des aufgezeichneten Benutzerdialog dar Segments zum aktuellen Signal aus Wiedergabemodus ob
101. aller betreffenden Elemente auf float size_value float min max x t0_min to_max int clip F hrt eine Transformation des Wertes x vom Wertebereich lt min gt lt max gt auf den Wertebereich lt to_min gt lt to_max gt durch void reduce _filepath char to char from Kopiert den Filenamen in lt from gt ohne den f hrenden Pfad in die string variable lt to gt int count_inports BASE_CL obj Gibt die Nummer des h chsten verbundenen Input Ports des gegebenen Ele ments zur ck reset_oscilloscopes void L scht den Inhalt aller Oszilloskop Fenster der Konfiguration 106 6 5 5 Modul Files cpp Dieses Modul stellt Dateibehandlungsroutinen f r Archive und Konfigurationsdateien zur Verf gung wie die Erzeugung neuer Archive das Lesen und Entpacken von Ar chivdaten das Laden und Speichern von Design Konfigurationen und Einstellungen HANDLE create_captfile LPCTSTR IpFName Erzeugt eine Archivdatei f r die Aufzeichnung von empfangenen Biosignalda ten von der Verst rkerhardware ModularEEG oder MonolithEEG im Firmwa re Format P2 oder P3 Gibt bei erfolgreicher Erstellung einen Bezeichner f r die Datei zur ck andernfalls die Konstante INVALID _HANLDE VALUE void open_captfile LPCTSTR IpFName ffnet eine Archivdatei zum Lesen Wenn die Datei ge ffnet werden konnte und das Format erkannt wurde wird in der CAPTFILE Struktur die Art des Firmware Protokolls P2 oder P3 und der Bezeichner f
102. als am Input Port gesteuert Die Parameter Racket Size und Speed regeln die Gr e des Balkens und die Geschwindigkeit des Balles Die h chste Anzahl von Treffern wird angezeigt und vom Element gespeichert 162 8 Anwendungsbeispiele Die folgenden Beispiele zeigen praktische Anwendungen von BrainBay durch ver schiedene Design Konfigurationen 8 1 Eine Konfiguration f r Alpha Beta Neurofeedback Die folgende Design Konfiguration dient zur Echtzeitverarbeitung einer monopolaren 2 Kanal EEG Ableitung Drei Silber Silberchloridelektroden wurden daf r an den Po sitionen C3 C4 und Cz nach dem 10 20 System fixiert Der Referenzpunkt war Cz Ein abrasives Kontaktgel wurde zur Verbesserung des Elektrode Haut Uberganges verwendet Die Impedanz der Verbindung lag bei ca 10kOhm Verst rkung und Digi talisierung der Werte erfolgten mit einem MonolithEEG EEG Verst rker bei 256 Hz Samplerate unter Verwendung des P2 Firmware Protokolls zur Daten bertragung an einen PC ber die USB Schnittstelle 21 50 Time 141 3 sec Status Session paused Archive 0 0 330 3 Goto 75 Abb 8 1 Ausgabefenster einer Konfiguration f r das Neurofeedback von EEG Frequenzb ndern Das Oszilloskop Fenster zeigt die gemessenen Werte nach der Anwendung eines 50Hz Filters Pro Kanal wird eine FFT Spektralanalyse durchgef hrt und der Fre quenzgehalt wird durch Balkengrafiken dargestellt Brain Mirror Display Die aktue
103. an Auftokorrelation sie dient der Auf findung von Periodizit ten Die mathematische Schreibweise der diskreten Kreuz Korrelation SMIO1 M 1 Res S M i aae Zr m Das Eingangssignal x n wird nach dem Zielsignal t n durchsucht Das Ausgangssig nal Rafn hat an jener Stelle ein Maximum an der die Form des Zielsignals im Ein gangssignal vorkommt Eine Normierung der Korrelation auf die Werte 1 1 erfolgt durch die Berechnung des Korrelationskoeffizienten Die Kreuzkorrelation wird auch als Detektionsfilter matching filte bezeichnet SMIO1 4 5 Diskrete Fourier Transformation Die Fourier Transformation ist ein vom franz sischen Mathematiker Jean Baptiste Fourier entwickeltes Verfahren ein beliebiges Signal durch eine Summe harmoni scher Schwingungen Sinus und Cosinuswellen zu beschreiben Dies erm glicht die Darstellung und Modifikation eines Signals durch seine Frequenzkomponenten Man spricht von einer Transformation des Signals vom Zeit in den Frequenzbereich eine R cktransformation ist verlustfrei m glich 79 Je nach Art des Signals kontinuierlich diskret periodisch oder aperiodisch finden verschiedene Arten der Fourier Transformation Anwendung Bei der digitalen Signal verarbeitung liegen stets diskrete Werte vor die mittels der Diskreten Fourier Trans formation DFT behandelt werden Ein Signal das aus N Samples besteht wird da bei durch Dekomposition in N 2 1 Cosinus und N 2 1 Sinus Wellen unt
104. an msdn columns DoNet images MessageLoop_1 gif 185 Bibliographie ALLO3 Brendan Allison P3 or not P3 Toward a Better P300 BCI Dissertation University of Califor nia San Diego 2003 Online Ressource 18 8 2006 http cogsci ucsd edu pineda PAPERS bza thesis pdf BAK02 S Baker I Matthews Lucas Kanade 20 years on A unifying Framework Robotic Institute Carnegie Mellon University 2002 Online Ressource 23 9 2006 http www ri cmu edu pub_files pub3 baker_simon_2002_3 baker_simon_2002_3 pdf BAR00 Armando B Barreto PhD Scott D Scargle A practical EMG based human computer inter face for users with motor disabilities Journal of Rehabilitation Research and Development Vol 37 No1 Jan Feb 2000 53 64 BAY00 J D Bayliss D H Ballard et al 2000 A virtual reality testbed for brain computer interface research IEEE Trans Rehabil Eng 8 2 188 90 BIT06 Sebastian Bitzer Patrick van der Smagt Learning EMG control of a robotic hand Towards Active Prostesis IEEE International Conference on Robotics and Automation Orlando Florida 2006 IEEE 0 7803 9505 0 06 BET02 Margrit Betke James Gips Peter Fleming The Camera Mouse Visual Tracking of Body Fea tures to Provide Computer Access for People With Severe Disabilities IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering Vol 10 No 1 March 2002 BET05 Michael Chau and Margrit Betke Real Time Eye Tracking and Blink Detecti
105. ante INVALID_VALUE Betr gt der Wert eines der Input Ports INVA LID_VALUE wird in jedem Fall auch INVALID_VALUE ausgegeben 144 7 6 2 3 Das Correlation Element Dieses Element berechnet die ERSTEN Kreuzkorrelation zwischen den zwei Eingabesignalen Die Anzahl Intel A gt fioo der verwendeten Werte wird durch den Schieberegler Interval einge stellt Abb 7 20 Parameterdialog des Correlation Elementes Die Korrelation ist ein Ma f r den linearen Zusammenhang von zwei Signalen Der Wertebereich der Ausgabe liegt zwischen 1 volle positive Korrelation O unkorre liert und 1 volle inverse Korrelation 7 6 2 4 Das Counter Display Element Type Display Yalue no counting C Count FALSE gt TRUE Transistions C Count TRUE gt FALSE Transitions C Count Frequency Starting Walue 0 Reset Counter Value Display V Show Counter Window Window Caption plain value Integer value Font Size al E AE Font Color p Background Color C Das Counter Element dient zum Z hlen von Ereignissen und zur Anzeige von Wer ten in einem Fenster Der angezeigte Wert ist von der Einstellung des Parameters Type abh ngig Abb 7 21 Parameterdialog des Counter Elementes Bei der Auswahl von Dispaly Value wird kein Z hlvorgang durchgef hrt sondern di rekt der Wert des Input Ports dargestellt Bei Auswahl von Count FALSE gt TRUE Transistions z hlt das Element die berg nge von INVALID_VALUE zu ein
106. aphischen Aktivit tsniveaus erstellen Die Verwendung eines 3D Kopfmodells aus MRI Daten ist m glich Die 3D Ansicht kann beliebig rotiert werden SAMO5 4 7 4 BioExplorer BioExplorer ist eine kommerzielle Software f r Bio und Neurofeed far Cai back der Firma Cyberevolution http www cyberevolution com Die grafische Benutzeroberfl che erlaubt eine einfache Erstellung von Signalverarbeitungskonfigu rationen Im Unterschied zu den bisher vorgestellten Applikationen liegt ist eine wichtige Eigenschaft von BioExplorer die sofortige R ckmeldung von Signalparame tern in Echtzeit Die Software bie Abb 4 14 Frequenzdarstelleung mit BioExplorer tet zahlreiche optoakustische Feedbackm glichkeiten wie Multimedia Player Midi Ausgabe Oszilloskop und Bal kendiagramme oder die 3D Darstellung der Spektralanalyse BioExplorer unterst tzt EEG und Biosignalverst rker aus dem preisg nstigen Marktsegment Die Software kostet derzeit etwa 420 Euro 4 7 5 OpenEEG Software Im Rahmen des OpenEEG Projektes entstanden in den letzten Jahren mehrere Ap plikationen die verschiedene Anwendungen aus der Biosignalanalyse erm glichen und gro teils als OpenSource frei verf gbar sind Neben den hier vorgestellen Pro grammen BWView FidView und BioEra wurden etwa ein experimentelles BCI System ABI von Pedro Ortega htto www dcc uchile cl peortega und ein Feed back Spiel realisiert Brainathlon von Amy Palke http www webkitche
107. arameterdialog des Debounce Elementes 4444444400n0nnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 145 Abb 7 23 Parameterdialog des ERP Detect Elementes 0004400nnnnnnnennnnnennnnnnnnnnnnnnnn 146 Abb 7 24 Parameterdialog des Expression Evaluator Elementes 4su004444000nennne nennen 147 Abb 7 25 Parameterdialog des Filter Elementes ss 44422044400000B0n0nnnnnn nenne nnnnnnnennnnn nennen 148 Abb 7 26 Parameterdialog und Ausgabefenster des FFT Elementes uu0042440000ee nee 148 Abb 7 27 3D Darstellung durch das FFT Elemert 004444444HBnnnnnnnnnnn ne nnnnnnnnnnnnennnnnnnn 149 Abb 7 28 Parameterdialog des Integrator Elementes 44444s4400n00nnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnennn 149 Abb 7 29 Symbole der AND OR und NOT Elemente 44444s4400n00nnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 150 Abb 7 30 Parameterdialog des Matlab Elementes 24444444HBnnnnnnnnnnn ne nnnnnnnnnnnnn nase 150 Abb 7 31 Parameterdialog des Magnitude Elementes 4440400000nnnnnne ne nnnnnnnnnnnnnennnnnnnen 151 Abb 7 32 Parameterdialog des Mixer Elementes u0n000nnnnnnnennnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnen 151 Abb 7 33 Parameterdialog des Sample Hold Elementes 2200022220000002000 nennen nennen 152 Abb 7 34 Parameterdialog des Standard Deviation Elementes
108. ate Start und Stopp Kommandos an den Mikrocontroller sendet Im Rahmen des OpenEEG Projektes sind mehrere Firmware Protokolle ent wickelt worden darunter auch bidirektionale Varianten Hier soll nur kurz auf eine einfache unidirektionale Version eingegangen werden um die grundlegenden Auf gaben der Firmware zu verdeutlichen F r ein Senden von Datenpaketen an den PC sind folgende Aufgaben durch die Firmware auszuf hren e Initialisierung der Ein Ausgabeports Buttons PWM Signal e Initialisierung der A D Konverter Prescaler Interrupt Modus e Initialisierung des Timer interrupts entsprechend der Sampling Rate e Initialisierung des UART Interface Baudrate Daten Frame e Starten des interruptgesteuerten Programmbetriebes e Vorbereitung eines Datenpaketes im Timer Interrupt syncbytes buttons e F llen der Kanalwerte durch den ADC Interrupt channel1 channel6 e Bei vollem Paket Ausl sen der Paket bertragung durch einen UART Interrupt gt Senden der Datenbytes an das Zielger t Neuer Timer Interrupt nach Verstreichen der Sampling Periode Dieses Konzept zeigt einen vollst ndig interruptgesteuerten Programmablauf im Hauptprogramm werden keine Kommandos ausgef hrt Das erste ver ffentlichte Firmware Protokoll f r das ModularEEG P2 Protokoll wurde von J rg Hansmann Jim Peters und Andreas Robinson programmiert und baut die Datenpakete auf diese Weise zusammen Sp ter folgte das P3 Protokoll welches eine Komprimierung der
109. aten Aufnahme ger t Samplerate Datensegmente Wertebereiche und Beschreibungen der Signal kan le gespeichert Diese Informationen werden nach dem ffnen einer EDF Datei im Benutzerdialog des EDF FileReader Elements dargestellt Read from E workstEEG BrainBapdebugh RCHIVES Dsas2002 edl open hie Patient MCH 0000004 M 01 JAN 1001 Severe_U5A5_patient Device Startdate DZ JUL 1335 PSG 0000700 MT Nihonk ahden SCREC Channels T Segments 1120 Segment Durat on 10 Samples Segment 11000 Sampl ngratelHz 256 Channel 3 EEG 01 M2 Samples S egm 1000 Label EEG 01 2 Transducer amp g gll electrodes Physical dimension uv Physical minimum 187 Fhysical maximum 187 Frefiltering EF 0 16 35Hz Digital minimum 2048 Digital mas mum 12047 Status Abb 7 13 Parameterdialog des EDF FileReader Elementes Abb 7 13 zeigt das EDF FileReader Element nach dem ffnen eines Archivs mit 17 Kan len Um die Informationen zu einem bestimmten Kanal darzustellen wird dieser in der Auswahlbox Channel gew hlt EDF Dateien k nnen sehr viele Kan le beinhal ten das Kanallimit in BrainBay ist derzeit auf 32 eingestellt Der Wertebereich f r die Output Ports des EDF FileReader Elements wird entsprechend der Werte Physical Minimum und Physical Maximum pro Kanal eingestellt Ahnlich wie beim Offnen ei ner Archivdatei durch das EEG Element wird die Statuszeile f r die Archivkontrolle erweitert siehe EEG Element 7 6 1 1 Die Position bez
110. auch Formen von ADHD die sich durch eine Asymmetrie der beiden Hemisph ren oder durch starke frontale Alphawellen 7 12 Hz u ern DEMO5 Allgemein l sst sich sagen dass bei ADHD die Frequenzzusam mensetzung des QEEG signifikant von den Normwerten abweicht Abb 2 26 Dominante Theta Aktivit t im EEG Bei einer Therapie von ADHD durch Neurofeedback wird durch die kontinuierliche R ckmeldung der Frequenzbandaktivit t und geeignete Feedback Protokolle ver sucht eine Verschiebung der Frequenzverteilung in Richtung der physiologischen Werte hervorzurufen Dies wird durch motivierende opto akustische R ckmeldung oder durch den Einsatz von Feedback Spielen erleichtert Neurofeedback stellt bei der Therapie von ADHD eine Alternative zur medikament sen Behandlung dar oder kann diese effektiv unterst tzen DEMO5 2 4 Unterst tzungstechnik f r Menschen mit motorischen Be hinderungen Der Einsatz von Biosignalen und bioelektrischen Signalen zur Herstellung alternati ver Computerschnittstellen Human Computer Interfaces HCI wird seit geraumer Zeit erforscht In den letzten Jahren entwickelte sich dieser Bereich stark er ist mitt lerweile ein Spezialgebiet der Medizintechnik und viele verwendbare Produkte sind auf dem Markt Elektronische Unterst tzungsger te zur Kommunikation Interaktion und Umgebungssteuerung sind f r viele Menschen zu einer unverzichtbaren Hilfe im Alltag geworden Die Kombination verschiedener L sungen
111. auf die letzten M Samples entsteht Besteht das Eingangssignal lediglich aus der Delta Funktion ein Samplewert 1 sonst alle Werte null so erh lt man als Ausgangssignal den Faltungskern die Impulsantwort Der Faltungskern eines Fil ters wird auch Filter Kern genannt er beschreibt das lineare System vollst ndig Die mathematische Schreibweise f r die diskrete Faltung von xfi mit einem aus M Wer ten bestehenden Kern hfj lautet SMIO1 yli xli Ai e ylil X Aji j GI 4 5 j 0 Die Faltung ist eines der wichtigsten Werkzeuge der digitalen Signalverarbeitung da durch das Design entsprechender Impulsantworten verschiedenste Filterfunktionen realisiert werden k nnen Hier zwei Beispiele f r Tiefpass und Hochpass Filter SMIO1 gt f Tiefpass Filter 0 20 30 2 50 70 80 90 100 110 Eingangssignal Impulsantwort Ausgangssignal Abb 4 5 Auswirkungen von Tiefpass und Hochpassfiltern Das Ausgangssignal ist nach der Faltung um die Anzahl der Werte der Impulsantwort l nger als das Eingangssignal Ein Filter bewirkt immer eine gewisse Verz gerung Die Impulsantwort von Tiefpassfiltern besteht oft aus einer Reihe von positiven Wer ten was zu einer gewichteten Summe der Einganswerte f hrt Hochpassfilterkerne bestehen oft aus einer positiven Spitze die von negativen Werten umgeben ist Soll der Filter das Signal weder verst rken noch d mpfen muss die Summe der Werte der Impulsantwort eins ergeben Die Gr
112. aus einem Set von M glichkeiten von Sym bolen oder Buchstaben Bevorzugte Ableitpunkte sind der Vertex Position Cz und der supplement re Motorkortex supplementory motor area SMA Positionen C3 C4 Das Training kann Wochen dauern und besteht aus tausenden Versuchen eine Ver nderung der langsamen Potenziale in die gew nschte Richtung herbeizu f hren Nicht alle Patienten und Patientinnen erlernen dies gleich gut Die R ckmel dung einer erfolgreichen Aktion durch motivierende Sinneseindr cke wie ein lachen des Gesicht oder einen harmonischen Klang ist hilfreich BIR00 Die aktuelle Versi on des Thought Translation Device erleichtert das Schreiben durch Wortvorschl ge Text Prediction wodurch eine Schreibgeschwindigkeit von etwa einem Wort pro Minute erreicht wird Weiters werden durch ein psychophysiologisches Klassifizie rungssystem die kognitiven F higkeiten von locked in Patienten innen erhoben wobei verschiedene Testprozeduren von der Ausl sung auditorischer Hirnstammpo tenziale AEPs bis zur kognitiven Reaktion auf Sprache P300 N400 Komponeten dazu dienen die Eignung der Personen f r das BCI Training festzustellen BIR00 46 2 5 2 BCIs Der u Rhythmus tritt im Frequenzbereich von 10 12 Hz bei Inaktivit t der motori schen Areale des Kortex auf Er wird bei der Ausf hrung wie auch bei der Vorstel lung von Bewegungen vermindert event related desynchronisation ERD siehe 2 1 4 2 u BCls verwenden dies
113. aus einer zu vor ermittelten Angsthierarchie visualisiert werden Exposition in sensu Bei Anzei chen von Erregung wird die Visualisierung abgebrochen und die Person versucht wieder zu entspannen Geeignete Parameter f r das Feedback sind EMG EDA Blutdruck Puls und Temperatur sowie die Atmung Ziele sind die Umbewertung der Angstanf lle die Vermittlung eines Erkl rungsmodells und die Reduktion der allge meinen Anspannung wodurch auch die Angstanf lle seltener werden KRO00 2 3 5 Biofeedback in der Therapie des chronischen Tinnitus Chronische Ohrger usche welche der oder die Betroffene als Rauschen Zischen Brummen oder Pfeifen im Kopf wahrnimmt die aber keiner u eren Schallquellen zuzuordnen sind werden als Tinnitus bezeichnet Es k nnen Schwankungen in der Lautst rke und Ger uschzusammensetzung ber Stunden bis Wochen auftreten Weitere m gliche Symptome sind H rverlust und Schwindel Zu den vielf ltigen Aus l sern des Tinnitus geh ren L rmsch digungen H rsturz und neurologische Erkran 33 kungen die mit einem H rverlust einhergehen KRO00a Ist die Person von den Symptomen nur gering belastet spricht man von einem kompensierten Tinnitus Wird die Lebensqualit t stark eingeschr nkt Depressionen Schlafst rungen ngste spricht man vom dekompensierten Tinnitus Ein Hauptziel des Einsatzes von Bio feedback ist eine Unterbrechung des Kreislaufes Aufmerksamkeitszuwendung dys funktionale Bewertung
114. b 7 33 Parameterdialog des Sample Hold Elementes 7 6 2 16 Das Standard Deviation Element DEAATION StandardDevition O Interwal fo 256 samples Abb 7 34 Parameterdialog des Standard Deviation Elementes Dieses Element berechnet die Standardabweichung und den Erwartungswert einer einstellbaren Anzahl von Signalsamples Die Ergebnisse werden an den Output Ports Devund Mean ausgegeben 7 6 2 17 Das Threshold Element Freparat or THRESHOLD Averaging Period ll 2l ze Gani m foo Threshold Levels bigger thar a E fra AND smaller thar a E 70 00 C DR Dynamic threshold calculat on sing values Interwal f zu falling values upper limit 0 2 of Signal lower limit D of Signal Meter Window Show Meter 7 Caption Meter Bar Size A E ajf Meter Background m Font Size A El j17 Font Font Background Abb 7 35 Parameterdialog und Ausgabefenster des Threshold Elementes Das Threshold Element ist n tzlich f r die R ckmeldung der Erreichung bestimmter Aktivit tsniveaus 152 Das Threshold Element kombiniert die folgenden Funktionalit ten e Mittelung und Verst rkung oder D mpfung des eingehenden Signals durch die Verwendung der Schieberegler in der Sektion Preparation e Einstellung fixer oberer und unterer Grenzen f r das Signal Thresholds Wenn die Eingabewerte im angegebenen Bereich liegen wird der Wert des Signals ausgegeben andernfalls die Konstante INV
115. back Oo a lt lt u Pe 2 2 4 Augenbewegungen Die folgenden Methoden zur Messung von Augenbewegungen basieren im Gegen satz zum EOG auf optischen Prinzipien und werden ohne Elektroden gemessen 2 2 4 1 Infrarotokulographie Neben dem EOG kann die Infrarotokularographie IROR zur Registrierung von Augenbewegungen verwendet werden Diese Messmethode basiert auf der Reflexion von Infrarotlicht durch die Hornhautoberfl che und der Registrierung dieser Reflexion durch eine Diodenzeile oder eine geeignete Kamera siehe Abb 2 19 Hierzu wird das Auge mit Infrarotlicht be strahlt Ein Vorteil dieser Methode ist der ber hrungsfreie Ein satz wodurch Lesebewegungen oder Augenbewegungen zur Steuerung einer Computerschnittstelle komfortabel abge nommen werden k nnen Je nach Art der Montage der Mess vorrichtung werden ortsfeste und kopfgest tzte Apparaturen Abb 2 19 IROR System unterschieden Ortsfeste Ger te haben den Vorteil des h he er Firma Microguide ren Komforts die m glichen Kopfbewegungen sind jedoch stark eingeschr nkt FINO5 2 2 4 2 Videookulographie Bei der Videookulographie wird die Stellung des Auges durch Merkmalsextraktion aus einem Videobild ermittelt Die zeitliche Aufl sung des Verfahrens ist durch die Aufzeichnungsgeschwindigkeit der Kamera und die Geschwindigkeit der Merk malsextraktion festgelegt Gute Ergebnisse lassen sich durch hochaufl sende Kame ras mit ausreichende
116. bals cpp Dieses Modul beinhaltet die Definitionen globaler Variablen und Funktionen f r die Initialisierung De Initialisierung und Hilfsfunktionen f r die Verwaltung der Elemente 6 5 4 1 Felder und Variablen f r die Element Verwaltung BASE CL objects MAX OBJECT gt Feld mit Zeigern auf die Elemente des aktuellen Designs BASE_CL actobject das aktive ausgew hlte Element str ct EINKst ruet act connecsr die aktive ausgew hlte Ver bindung int PACKETSPERSECOND DEF_PACKETSPERSECOND Samplingfrequenz der Signalverarbeitung 104 6 5 4 2 Bezeichner f r Instanz Haupt und Dialogfenster HINSTANCE hinst Instanz des Hauptfensters HACCEL ghAccel Tastatur Hotkeytabelle keyboard accele rator HWND ghWndMain Handle des Hauptfensters HWND gh hWndToolbox Handle des Toolbox Fensters zur Modifikation der Element Parameter HWND ghWndStatusbox Handle des Statusfensters HWND ghwWndSettings Handle des Optionsfensters HWND gahWndDesign Handle des Design Fensters HWND ghwWndAnimation Handle des Animationsfensters HGLRC GLRC_Animation OpenGL Kontext des Animationsfensters 6 5 4 3 Globale Datenstrukturen Struktur f r serielle Schnittstelle Timing struct GLOBALStruct GLOBAL Einstellungen f r Session und Kommunikation Str ct TIystr et 11Y Com Port Einstellungen Struct PACKETStrLUEtR PACKET 7 7 aktuelt bertragenes Biosignal Paket STEUCE
117. big eingestellt werden wobei ein Kompromiss aus Ge schwindigkeit und Genauigkeit zu treffen ist da bei hoher Beschleunigung schon ei ne geringe Kopfbewegung eine gro e Bewegung des Mauszeigers bewirkt und der Zeiger leicht zittert Die gew hlte Beschleunigung ist daher auch immer vom ge w nschten Einsatz abh ngig sie wurde wir gr er gew hlt als etwa beim Einsatz f r das Minesweeper Spiel siehe 8 3 2 sodass ein eine Bewegung des Zeigers vom linken unteren zum rechten oberen Bildschirmrand durch die Lage nderung des Kop fes in etwa zwei Sekungen m glich war Um eine brauchbare Schreibgeschwindig keit zu erzielen erwies sich die zuverl ssige und schnelle Erkennung von Mausklicks durch die Kinnbewegung als kritisch Durch Ver nderungen des Bandpass Filters f r die Erkennung der Kinnbewegung konnten hier substantielle Verbesserungen in den ersten Trainingsminuten erreicht werden Die Einstellung f r ein schmales Pass Band im Bereich von 2 3 Hz erwies sich hier als zielf hrend um die Beeintr chtigung durch die gro fl chigeren Kopfbewegungen auszufiltern und die Geschwindigkeit der Kinnbewegungen in vertikale Richtung f r den Linksklick und in horizontale Rich tung f r den Rechtsklick gut zu erkennen So konnte mit wenigen Einstellungen die Erkennungsrate verbessert und die physische Anstrengung beim Klicken vermindert werden Andererseits wurde dadurch auch die Anzahl der falsch positiv erkannten Klicks erh ht da die Kinnb
118. bjects und in der Variable actobject gespeichert 105 void free_object int objectindex L scht das Element mit dem Index lt objectindex gt aus der Konfiguration und gibt seinen Speicherbereich durch Aufruf des Objekt Destruktors frei void swap_objects int a int b Tauscht die Position der Elemente mit den Indices lt a gt und lt b gt in im Feld der Elemente um ein Sortieren der Elemente zu erm glichen int sort_objects void Sortiert alle Elemente der aktuellen Konfiguration anhand ihrer Verbindungen Quellelemente vor Zielelementen um eine konsistente Abarbeitung der Ele mente zu erm glichen void set_dimensions struct LINKStruct act float max min char dim desc Speichert neue Einstellungen f r den Wertebereich die Einheit und die Be zeichnung der Verbindung lt act gt zwischen zwei Elementen void update_dimensions void Propagiert die Einstellungen von Wertebereichen und Einheiten entlang der Signalverbindungen zwischen den Elementen void update_samplingrate int newrate Setzt einen neuen Wert f r die Samplingrate der Signalverarbeitung und re initialisiert die betroffenen Elemente wie Filter Magnitude und FFT void get _session_length void Ermittelt die Dauer der Archivdatei Anzahl der Samples und speichert den Wert in GLOBAL session_end void set_session_pos long pos Setzt die aktuelle Position der Archiv Wiedergabe auf Sample Nummer lt pos gt Ruft die Methode session _pos
119. can Synamp2 EEG Verst rker Kan le Aufl sung Quantisierungsstufen 1 LSB h chste Verst rkungsstufe CMMR Noise Hochpass Filter Tiefpass Filter M Samplerate e Schnittstelle Abb 3 16 Neuroscan Spannungsversorgung Snap Medizinzulassung ja Preis 32000 mit Software 48 000 Neuroscan http www neuro com Tabelle 3 8 Technische Daten Neuroscan Synamp Hersteller 63 3 3 Freie Hardware Das OpenEEG Projekt Das OpenEEG Projekt versucht seit 2001 kosteng nstige Alternativen f r die Ver st rkung und Digitalisierung von EEG Signalen zu entwickeln Die hierf r entwickelte Hardware kann durch Ver nderung der Verst rkungskonstanten auch zur Ableitung anderer bioelektrischer Signale wie EMG EKG oder EOG verwendet werden Zu s tzlich ist die Messung von Sensorinformationen wie Hautleitwert Temperatur oder Beschleunigung m glich Bisher wurden Baupl ne f r drei unterschiedliche Konzepte zur Verst rkertechnik publiziert und von zahlreichen Enthusiasten weltweit umge setzt Dadurch stieg auch die Anzahl verwendbarer Open Source Software f r diesen Bereich sodass heute verschiedene Pakete zum kostenlosen Download bereit ste hen deren Einsatzm glichkeit sich von der Wavelet Analyse von Signalen bis zu ex perimentellen BCI Applikationen erstreckt Die OpenEEG Community organisiert sich prim r ber eine Mailing Liste die eine Hilfestellung f r neue Mitglieder und ein Fo rum f r Entwicklungen darst
120. case WM_INITDIALOG Der Benutzerdialog wurde erzeugt SCROLLINFO lpsi lpsi cbSize sizeof SCROLLINFO lpsi fMask SIF_RANGE SIF_POS lpsi nMin 1 1lpsi nMax 100 SELSELrOLLIHF GetpFieTten hBlgG EDELSCROLEBAR 4 SB2 T1L amp 1P51 1 setzen des Wertebereichs f r den Schieberegler von 1 100 SetScrollPos GetDlgItem hDlg IDC_SCROLLBAR SB_CTL st gt pos 1 Die aktuelle Position des Reglers wird auf den gespeicherten Wert pos gesetzt SELDISTLEMTExXt NDL TDG EDIT STSL rI II Se2ing im Edit Feld darstellen f llen der Auswahlbox mit den Selektionsm glichkeiten SendDlgItemMessage hDlg IDC_COMBO CB_ADDSTRING 0 LPARAM INI SendDlgItemMessage hDlg IDC_COMBO CB_ADDSTRING 0 LPARAM IN2 SendDlgItemMessage hDlg IDC_COMBO CB_ADDSTRING 0 LPARAM IN1 2 SendDlgItemMessage hDlg TDE COMBO CB SETCGURSE Ly st gt selection OL Auswahl der aktuellen Selektion break case WM_CLOSE Der Benutzerdialog wird geschlossen EndDialog hD1lg LOWORD wParam return TRUE case WM_COMMAND Nachricht an eine Dialogkomponente switch LOWORD wParam ID der Dialogkomponente case IDC_COMBO Auswahlbox wurde ge ndert if HIWORD wParam CBN_SELCHANGE st gt selection SendMessage GetDlgItem hDlg LDE COMBOT CB GETGCURSEL I 0 neue Auswahl wird in selection gespeichert break case IDC EDIT Textfeld wurde ge ndert GeErDIgQTEeMTex lt hB L
121. ch Null f hrt zu einer automatischen Erzeugung von Links klicks falls der Maus Cursor f r die eingestellte Verweildauer in einem nahen Um Kreis bleibt So k nnen auch Klicks ausgel st werden ohne ein separates Kontroll signal f r den CI k Port zu ben tigen Eine sinnvolle Quelle f r eine Maussteuerung ist das Camera Element das durch die M glichkeiten zur Gesichtslokalisation die Ausgangsdaten f r eine Kopfsteuerung der Maus zur Verf gung stellt siehe Bei spielkonfiguration Kamera Maus 8 5 7 6 3 9 Das Sound Player Element Der Sound Player kann zum gesteuerten Abspielen von Audio Dateien verwendet werden Unterst tze Formate sind wav mp3 voc und aiff Das Element eignet sich zur Wiedergabe von kurzen Soundeffekten oder T nen f r l ngere Musikdateien ist das Element Media Player zu verwenden Die Werte der Input Ports kontrollieren das Starten der Wiedergabe on die Lautst rke vo und die Wiedergabegeschwin digkeit Tonh he speed Die Wiedergabe erfolgt sobald ein Wert ungleich INVA LID_VALUE am Port on empfangen wird C works EEG BrainBayhdebug SOUNDSY 2623 ms W mute play only changes Repeat Interval E mz Sample Buffer Size Audio Latency 2048 volume Input A ange 10 0 to 1023 0 Dutput A ange afo ta al h Playback Speed Center 10 0 Factor 0 0060 om high both reverse Abb 7 44 Parameterdialog des Sound Player Elementes Falls die Option play only changes gew hlt is
122. ch die individuellen M glichkeiten und Bed rfnisse der beteiligten Personen Die Wahl des richtigen Instrumentariums bedingt ein Wissen ber die quantitativen und qualitativen Signaleigenschaften wie Signalpegel Bandbreite und Sensorik f r die Abnahme Dadurch k nnen die n tigen Filtereinstellungen Verst rkungsfaktoren und Abtastraten f r eine fehlerfreie Digitalisierung der Signale ermittelt werden Liegen die Messwerte in Form digitaler Zeitreihen vor er ffnet dies viele M glichkeiten f r eine flexible Anwendung hier einige Beispiele e Archivierung in Datenbanken Auswertung von Kennzahlen und Statistiken Vergleich physiologischer und pathologischer Signalformen Klassifikation e Visualisierung in funktionalen Modellen mehrdimensionale Darstellung berwachung in der Intensivmedizin und durch Telemetrie e Therapieunterst tzende Ma nahmen und Therapieerfolgskontrolle e Aktive Prothetik und Steuerung von Orthesen e Schrittmachertechnik funktionelle Elektrostimulation FES e Biofeedback und Neurofeedback e Alternative Benutzerschnittstellen HCI Die Auswertung von Biosignalen ist heute ein unerl ssliches Hilfsmittel in der medi zinischen Forschung und im klinischen Alltag Die Echtzeitverarbeitung der Signale wird zunehmend in lebenserhaltenden und unterst tzenden Ma nahmen eingesetzt Im Folgenden werden die Charakteristika einiger Biosignale und die Anwendungsbe reiche Biofeedback und Alternative Benutzerschnittstel
123. chie und die Datenfl sse werden dargestellt und Strategien f r das User Interface gezeigt Kapitel 6 behandelt Details zur Implementierung wie die Entwicklungsumgebung die verwendeten Bibliotheken und die Realisierung von Kernsystem O Verwaltung Timing Funktionen und Bildverarbeitung Weiters wird die Erzeugung eines neuen Konfigurationselementes anhand eines konkreten Beispiels beschrieben Kapitel 7 zeigt die Anwendung der lauff higen Software durch eine Beschreibung der Einsatzm glichkeiten und der Paramter aller zur Verf gung stehenden Elemente Kapitel 8 besteht aus Anwendungsbeispielen f r die lauff hige Software und zeigt Beispielkonfigurationen f r EEG Feedback Muskeltraining und Kamera Maus Kapitel 9 evaluiert die Ergebnisse anhand von Kennzahlen R ckmeldungen der Testpersonen und einer Gegen berstellung mit den Design Zielen Abschlie end zeigt ein berblick geplante Verbesserungen und zuk nftige Entwicklungen In Anhang A wird die BrainBay Homepage vorgestellt Inhaltsverzeichnis Hintergrund und Motivation 2 220 20 200000a00annannnnunnnnnnnnnunnnnnnnn una i PrOjeKtzielselzUNng u ERa DaANKSaQUNG senracia E een il Z r Str kt r dieser ArDel css iii IHNaltsVerzeichNIs sa en IV ADDBIIGUNGSVErZeichNils nnn ein xii FaDeNGM conse XV GleichUngen a een XV 1 Bioelektromagnetismus und Elektrophysiologie 1 1 1 Geschichtliche Entwicklung des Bioelektromagnetismus
124. cks durch ungewolltes Pendeln um den Schwellwert Die so gewonnene Triggerfunktion f r linke und rechte Mausklicks wird mit den Input Ports cik und r clk des Mouse Elements verbunden ms sdad Spiel 7 Abb 8 17 Test der Kamera Maus mit dem Spiel Minesweeper die Anzeige der Kinnposition erfolgte in dieser Version mit zwei Punkten 171 9 Evaluierung von Ergebnissen 9 1 Beurteilung der Erreichung von Designzielen Im Folgenden werden die Charakteristika der implementierten Applikation mit den in Kapitel 5 1 erhobenen Zielen und Anforderung verglichen e Kosteng nstige Realisier und Reproduzierbarkeit Durch die weitgehende Verwendung von Open Source Komponenten und um fangreichen Eigenentwicklungen wurde die Software ohne finanzielle Aufwen dungen hergestellt Da das System in offener und dokumentierter Weise nun als Open Source Projekt vorliegt kann sie kostenfrei gen tzt sowie reprodu ziert und erweitert werden BrainBay unterst tzt alle derzeit verf gbaren Hardwareplattformen des OpenEE G Projektes wodurch mit den kleinstm gli chen Hardwarekosten von etwa 150 300 Euro eine Ableitung verschiedener Biosignale mit 2 6 Kan len m glich wird Handels bliche Webcams mit ei nem Preis von ca 50 Euro k nnen zur Gesichtsdetektion und Bewegungsver folgung im Sinne einer Kopfsteuerung f r den Mauszeiger eingesetzt werden Somit wurde f r weniger als 400 Euro ein System realisiert das sowohl EEG EMG EOG und andere
125. d und die Maske sowie die aktiven Bereiche f r die Dialogelemente sind in einer ini Datei angegeben Derzeit muss diese ini Datei noch manuell mit einem Texteditor erzeugt werden a Details dazu siehe Datei skin _readme txt im Unterver SKINDIALOG sine Eworsteoiwongenussrnpaeshesmamn zeichnis Skindialogs Ein Editor zur komfortblen Erstellung dieser Datei ist als zuk nftige Entwick lung geplant Abb 7 17 Parameterdialog des Skindialog Elementes 7 6 2 Verarbeitungselemente Verarbeitungselemente dienen zur Transformation Kombination oder Klassifizierung von Signalen innerhalb der Konfiguration Sie haben einen oder mehrere Input und Output Ports BrainBay stellt derzeit 19 Verarbeitungselemente zur Verf gung die im Folgenden beschrieben werden 7 6 2 1 Das Averager Element AWERAGER x Interval a i Abb 7 18 Parameterdialog des Averager Elementes Das Averager Element gibt das arithmetische Mittel der letzten n Samples aus Die Anzahl der Samples wird durch den Schieberegler Interval festgelegt 7 6 2 2 Das Comparator Element e AB C As E w E A amp B Abb 7 19 Parameterdialog des Comparator Elementes Das Comparator Element vergleicht die aktuellen Werte der beiden Input Ports auf eine Weise die durch den Benutzerdialog eingestellt werden kann Falls die Bedin gung erf llt ist wird der Wert von Input Port A am Output Port ausgegeben ansons ten die Konst
126. dabei durch eine komplexe Funktion gebildet und durch ein Blackman Fenster be grenzt Die Skalierung des Wavelets bestimmt die Sensitivit t f r entspre chende Wellenl ngen Durch Tasten kombinationen kann im Zeit oder Fre quenzbereich navigiert werden ver schiedene Farbcodierungen und Dar stellungsvarianten sind verf gbar BwFiew verwendet Funktionen der SDL Bibliothek und l uft unter Linux und Windows Der Source Code ist frei Abb 4 16 Wavelet Analyse von EEG Daten mit BwView verf gbar PETO2 CURSOR Tine 387 06 Freq 4 9538 Hag 0 0687 PRF 4 3204 PHH 0 6105 88 4 7 5 3 BioEra BioEra http www bioera nef ist eine Biofeedback Applikation von Jarek Foltynski die in JAVA erstellt wurde und somit weitgehend plattformunab h ngig einsetzbar ist BioEra wurde im Rahmen des OpenEEG Projektes entwickelt und ist als Lite Version weiterhin kostenfrei verf gbar Die Vollversion die laufend erweitert wird ee Er und auch auf PDA Computern l uft BR ist kostenpflichtig 320 Euro BioEra V M erlaubt wie BioExplorer die grafische 123 Kombination von Funktionsbl cken und bietet viele Elemente f r die Sig nalanalyse und f r das optoakusti sche Feedback in Echtzeit Abb 4 17 BioEra Software f r Biofeedback Einsatz am PDA 4 7 6 Resumee Biosignal Software Die derzeitig verf gbare Software f r die Biosignalanalyse ist zum Teil sehr ausge reift und bietet eine gro e Vielfalt an Funktionen Komme
127. der Multimedia Player einen Wert auf die eingestellten Signalgrenzen beziehen Dadurch kann ein bestimmter Bereich vergr ert oder hervorgehoben werden 7 6 Verwendung der Konfigurationselemente Die Konfigurationselemente Signalquellen Signalziele und Verarbeitungselemente sind die funktionalen Einheiten einer Signalverarbeitung in BrainBay Die Einstellun gen der Elemente k nnen durch ihren Benutzerdialog das Parameterfenster ge n dert werden Der Benutzerdialog eines Elements wird durch einen Rechtsklick in das Zentrum des Elementsymbols dargestellt 7 6 1 Signalquellen 7 6 1 1 Das EEG Element Dieses Element ist die Schnittstelle zur OpenEEG Verst rkerhardware Durch diese Biosignalverst rker werden bioelektrische Signale oder Sensorwerte verst rkt und digitalisiert Derzeit werden die beiden Verst rkervarianten ModularEEG und Mono lithEEG unterst tzt Beide Verst rker k nnen mit unterschiedlicher Firmware und bertragungsprotokollen betrieben werden P2 P3 und P21 P21 ist ein bidirektiona les Ubertragungsprotokoll damit auch Einstellungen an die Verst rkerhardware ge sendet werden wodurch etwa die Anderung von bertragungsgeschwindigkeit oder Samplerate bzw das Starten und Stoppen der bertragung von der Software aus m glich werden Die Messwerte der einzelnen Biosignalkan le sind bei laufender bertragung an den Output Ports des EEG Elements verf gbar z197 Com Port COMS connected f bidirecti
128. der Nachrichtenschleife des Prozesses abgelegt der das Fenster erzeugt hat Dies bewirkt dass alle Nachrichten an ein Zielfenster synchronisiert werden und die Nachrichten in der richtigen Reihenfolge von der Behandlungsroutine abgearbeitet werden k nnen Zur Erzeugung neuer Fenster muss eine Fensterklasse window class beim System durch die WNDCLASSEX Struktur und die RegisterClassEx Funktion angemel det werden Diese Struktur beinhaltet einen Zeiger zur Nachrichtenbehandlungsfunk tion einen Bezeichner f r die Instanz die ausf hrbare Datei die Icons die Art des Maus Cursors die Hintergrundfarbe f r das Fenster und den Klassennamen Die CreateWindow Funktion erzeugt ein Fenster mit Bezug auf eine angemelde te Fensterklasse und verschiedene Fenstereigenschaften window styles gegebene Titelzeile und Fensterposition 6 3 2 Behandlung von Nachrichten Der Window Handler Durch die DispatchMessage Funktion erfolgt die Verteilung der Nachrichten an die betroffenen Fensterkomponenten Jede Fensterkomponente ben tigt dazu eine Nachrichtenbehandlungsroutine den sog Window Handler Nachfolgend ein Beispiel f r die Nachrichtenbehandlung eines sehr einfachen Dialogfensters das zwei Schalt fl chen About und Exit beinhaltet 101 LRESULT CALLBACK WndProc HWND hWnd VER window handle UINT message 1 message identifier WPARAM wParam LI erster 32 bit Parameter LPARAM lParam E zweiter 32 bit Paramter in
129. des Ger usches Stressreaktion und Tinnitus Verschlimmerung An der Intensivierung der Belastung sind oft Verspannungszu st nde und Fehlhaltungen der Kiefer und Nackenmuskulatur oder n chtliches Z h neknirschen Bruxismus beteiligt Die angewandten Biofeedbackmethoden sind EMG Ableitungen der Kinn Nacken und Gesichtsmuskulatur sowie die Ermittlung sympathischer Aktivierung durch EDA und Temperatur N chtlicher Bruxismus kann durch die Ausl sung eines akustischen Warnsignals bei hohen EMG Werten im Kie ferbereich korrigiert werden der die betroffene Person zwar nicht g nzlich weckt aber ausreicht um die Verspannung im Kieferbereich zu bemerken und ihr entge genzuwirken Obwohl der chronische Tinnitus in vielen F llen nicht durch das Bio feedback heilbar ist gelingt doch h ufig ein besserer Umgang mit dem Symptom und eine Linderung der Beschwerden KRO00a 2 3 6 Biofeedback zur Behandlung von Inkontinenzproblemen St rungen der Beckenbodenfunktionen wie Urin und Stuhlinkontinenz sind eine Belastung f r viele Menschen werden aber aufgrund der Tabuisierung des Intimbe reiches selten besprochen Besonders h ufig tritt die Urininkontinenz bei Frauen nach einer Geburt und bei lteren Menschen auf F r die Urinzur ckhaltung Reten tion und die Entleerung Miktion sind im Wesentlichen drei Muskelgruppen zust n dig Der Blasenentleerer Detrusor vesicae ist ein Muskel der einen Teil der Harn blase bildet und durch sein
130. die Beweglichkeit der Patientin zu erhalten und zu verbessern Sie hatte zuvor noch nie mit einem Biofeedbacksystem trainiert Bei der ersten Ableitung und R ck meldung von Muskelpotenzialen des M femoris Oberschenkelmuskulatur war die Probantin sichtlich berrascht dass es funktioniert und sie starke Ausschl ge auf der Skala und akustisches Feedback durch die Muskelkontraktion hervorrufen konn te Die Muskelaktivit t wurde mit Standard EKG Elektroden Blue Sensor abge nommen und ber ein MonolithEEG System verst rkt Die Auswertung erfolgte durch ein Designkonfiguration mit Bandpass Filtern und optoakustischem Feedback siehe 8 3 9 3 1 Ergebnisse und R ckmeldungen Die neue Situation des Muskelfeedbacks ber einen Computer wurde von der Pro bandin gut akzeptiert und sie trainierte ausgiebig das Erreichen der n tigen Kontrak tionslevels um einen Feedback Ton auszul sen Diese Aktivierungsniveaus wurden auf ihre momentanen F higkeiten eingestellt beginnend mit niedrigen Grenzwerten bei denen die akustische R ckmeldung schon durch sehr leichte Muskelkontraktio nen hervorgerufen werden konnte Im weiteren Verlauf der Ubung konnte das Aktivi t tsniveau auf den dreifachen Wert erh ht werden Dies wertete die Patientin als Er folg und erhielt so auch Motivation das Training weiter fortzusetzen Bei der dritten Trainingseinheit f hrte die Patientin abwechselnd mit dem linken und rechten Bein jeweils 250 starke Kontraktionen d
131. die Transmitterstoffe mit den Rezeptormolek len der postsynaptischen Membran aktivieren Kanalproteine und f hren zu wiederum zu einer elektrischen Potenzial nderung Die postsynaptische Potenzial nderung kann erregende Wirkung exziitatorisches postsynaptisches Po tenzial EPSP oder hemmende inhibitorisches postsynaptisches Potenzial IPSP haben An der postsynaptischen Zelle k nnen zeitliche und r umliche Summationen der eintreffenden synaptischen Potenziale auftreten FERO6 Die Transmitterstoffe werden st ndig in den Endkn tchen des Axons gebildet und in synaptischen Bl schen Vesikeln gespeichert Es sind derzeit ca 100 verschiedene Transmitterstoffe bekannt Ein Beispiel ist Acetylcholin der Botenstoff f r die Aktivie rung von Muskelzellen an der neuromotorischen Endfplatte 1 2 9 Vom Nerv zum Muskel Die neuromotorische Endplatte Die elektrische Erregung der Nervenfaser wird an der Kontaktstelle von Motorneuron und Muskelfaser auf die Muskelmembran Sarkolemm bertragen siehe Abb 1 14 Dieser bergang wird neuromotorische Synapse oder Endplatte genannt In der postsynaptischen Membran befinden sich acetylcholingesteuerte Kan le ACh Motorneuron Sarkolemm Rezeptoren Diese ffnen sich sobald die d AOE ONTE oiii ACH Konzentration steigt und lassen einen s AINLLL LI GRRSLLLLNN depolarisierenden Kationenstrom in die Muskelfaser flie en Uber die Membran der Muskelfaser wird die elektrische Erregung ausgebrei
132. dio 150 Cleveland Medical Devices Refa System TMSi Neuroscan Brain Vision Brain Products Micrcomed EEG ModularEEG OpenEEG A D Converter Boards der Firmen Data Translations National Instruments Measurement Computing BCI2000 wurde in Borland C unter Windows erstellt der gesamte Source Code und die Dokumentation kann vom Wadsworth Center f r wissenschaftliche Zwecke kostenfrei bezogen werden Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Treiber f r die Mo dularEEG Hardware in Form eines Signal Source Moduls entwickelt und gestestet siehe Abb 2 46 Dieses Modul ist nun Teil der offiziellen Distribution von BCI2000 Konfiguration P Visualize Localization Storage MEMFilter Source Statistics System UsrTask Filtering Save Parameters Load Parameters ArataffG vormeofarf fo ComPort coM3 FRIST ae Protocol P2 sanai Fans ai a ime PGS _ Configure Save SampleBlockSize IE J EPEE de anal rate foren ZIE Hal SamplingRate 256 J SimulateEEG generate sinewaves with mouse de number of def and S NAT CUNE SoftwareCh 6 He anber O EIISON RT C U MIIR TransmitCh 4 a EISOES CHMI TransmitChList f 234 Abb 2 46 Einstellungsm glichen der ModularEEG Signalquelle f r BCI2000 51 3 Hardware zur Messung bioelektrischer Signale Das folgende Kapitel besch ftigt sich mit den Ger ten zur Verst rkung und Messung von bioelektrischen Signalen Nach einer Erl uterung grundlegender technisc
133. ds In Klaus J Auff E Kremser W Zagler W eds Interdisciplinary aspects on computers helping people with special needs R Oldenbourg Vienna GORO2 D O Gorodnichy S Malik and G Roth Nouse Use Your Nose as a Mouse a New Tech nology for Hands free Games and Interfaces Proceedings of International Conference on Vision Inter face VI 2002 pp 354 361 Calgary May 27 29 2002 GRIO3 Dan Griffiths Nelo Jim Peters Andreas Robinson Jack Spaar Yaniv Vilnai J rg Hansmann The Modular EEG Design Online Ressource 3 6 2006 http openeeg sourceforge net doc modeeg modeeg_design html GUG99 C Guger W Harkam C Hertnaes and G Pfurtscheller Prosthetic control by an EEG based brain computer interface BCI in Proc AATE 5th European Conference for the Advancement of Assistive Technology D sseldorf Germany Nov 3 6 1999 GUGO6 Guger Technologies Produktbeschreibung der Biosignalverst rker gUSB Amp und gMobi Lab Online Ressource 20 8 2006 http www gtec at IHANO3 J rg Hansmann The Modular EEG Online Ressource 8 7 2006 http openeeg sourceforge net doc modeeg modeeg html HELO6 Ulrich Helmich Skriptum zur Neurobiologie 18 7 2006 Online Ressource 22 10 2006 http www drd de helmich bio neu reihe1 ur12 ruhepotenzial htm HILO2 S A Hillyard F Di Russo W A Teder S lej rvi 2002 Steady state VEP and Attentional Visual Processing In A Zani amp A M Proverbio Eds The Cognitive
134. durch Elektroden abgenommen werden sie zeigen je nach Signalart und Ablei tungspunkt unterschiedliche Auspr gungen in Pegelst rke und Frequenzband 2 1 1 Elektromyogramm EMG Durch das Elektromyogramm werden die Depolarisationen von Muskelzellen gemes sen Das EMG wird meist durch Oberfl chenelektroden abgeleitet Abb 2 1a In sel tenen F llen werden Nadelelektroden zur subkutanen Einzelzellableitung single mo tor unit SMU oder implantierbare Elektroden verwendet Eine Abnahme an der K r peroberfl che wird meist durch Klebe oder Napfelektroden durchgef hrt und ist ver glichen mit den invasiven Techniken unproblematisch Bei der bipolaren Ableitung ist darauf zu achten dass sich die beiden Elektroden in Faserrichtung des Muskels befinden Der Abstand sollte etwa 5 cm betragen also nicht zu gro sein SEE06 Kontraktion Relaxation 50 uV 1 sec Abb 2 1 a Ableitung des EMG vom rechten Unterarm b Messung einer Muskelkontraktion Die messbare Signalamplitude ist von der Gr e der Elektrode der Gr e des Mus kels der Qualit t der Elektrodenverbindung und der Muskelaktivit t abh ngig Sie kann beim Oberfl chen EMG bis zu 1 2 mV betragen ist aber im Normalfall in der Gr enordnung von 400 uV siehe Abb 2 1b Das aktive Frequenzband ist beim EMG durch die gleichzeitige zuf llige Aktivit t vieler Zellen relativ hoch Die schnellsten Frequenzanteile liegen im Bereich einiger KHz wobei ein Gro
135. e gew hlte Tonleiter Tone Scale transformiert 157 Durch die Auswahlbox Output Device wird eines der aktivierten Midi Ausgabe Ger te ge ffnet Die Aktivierung von Midi Ger ten erfolgt im Benutzerdialog Options Die Angabe eines Midi Kanals Channel von 1 bis 16 erlaubt den parallelen Betrieb mehrerer Midi Elemente mit verschiedenen Instrumenten auf einem Midi Ausgabeger t Die Auswahlbox Instrument or Controller selektiert das zu verwen dende Instrument oder einen Midi Controller Midi Controller sind vor allem bei einem Betrieb externer Midi Ger te wie Synthesizer oder Drum CGomputer sinnvoll Der Schieberegler Output Interval stellt die Periode der Tonerzeugung ein bei Auswahl eines Intervalls von 1 werden die T ne mit der Samplefrequenz des Systems gene riert das ist normalerweise zu schnell Eine Einstellung von 128 ergibt bei einer Samplerate von 256 Hz zwei T ne pro Sekunde Durch die Bet tigung von mport Tones kann eine gespeicherte Tonleiter geladen und verwendet werden Der Schieberegler Hold Buffer w hlt die Anzahl von T nen die gleichzeitig gespielt werden k nnen ist hier 1 eingestellt wird jede Midi Note vor dem Spielen der n chsten Note ausgeschaltet Ist play only changes aktiviert wer den zwei aufeinander folgende Notenwerte nur dann gespielt wenn sie unterschied lich sind 7 6 3 8 Das Mouse Controller Element House Mouse Controller mas Pos i 124 mas YV Pos 1768 i Integrator w
136. e Extremit tenableitungen sind meist Elekt rodenklammern f r die Brustwandableitungen werden Klebe oder Saugnapfelektro den verwendet Herzratenvariabilit t HRV Die Herzratenvariabilit t ist ein Parameter der die kurzfristige nderung der Herzfre quenz durch Belastung oder auch durch die Atmung angibt Die Fluktuation in der Frequenz ergibt sich durch Wechselwirkungen der Schrittmacherzellen des Herzens mit dem sympatischen und parasympatischen Nervensystem Der Abstand zweier aufeinander folgender Herzschl ge wird gemessen NN Intervall normal to normal und die Standardabweichung der Werte SDNN sowie weitere Parameter werden berechnet Auswertung bzw Feedback der HRV dient zur Risikoanalyse f r Herzer krankungen und zum Training der Adaptionsf higkeit des Herzens TEIOO 19 2 1 3 Elektrookulogramm EOG Das Elektrookulogramm ist eine Messung Augenbewegungen mittels Elektroden Die Muskulatur des Auges erlaubt prinzipiell eine Bewegung in drei Freiheitsgraden Durch das EOG k nnen vertikale und horizontale Augenbewegungen erfasst werden nicht die Rotationsbewegung des Auges um seine L ngsachse Augenbewegung Links M obliquus _ ED Y IN A superior Dr N aC I rn M rectus AN M obliquus I 160 pV means I 5 inferior Zu ae M rectus Augenbewegung Rechts interior superior Pie 1 160 av __ M rectus X o 30 o lateralis Abb 2 8 a Die Entstehung des EOG durch den Dipol b
137. e Kontraktion den Urin aus der Harnblase presst Sein Gegenspieler ist der Musculus sphincter internus der den Blasenhals umg rtet die Region die den Beginn der Harnr hre bildet Dieser innere Schlie muskel kompri miert den Harnr hreneingang und verhindert so den Urinaustritt Der u ere Schlie muskel M sphincter externus der Harnblase Teil des Beckenbodens in Abb 2 23 nicht eingezeichnet erm glicht eine willk rliche ffnung und Schlie ung der Harn blase CUNOO M detrusor Mastdarm Harnblase Sphincter internus Sphincter internus Puborektalisschlinge der Harnblase Sphincter externus Harnr hre s gt Beckenboden Abb 2 23 Lage wichtiger Muskelgruppen f r die Kontinenzreaktion Das Zusammenspiel dieser Muskelgruppen ist durch verschiedene sich hierarchisch beeinflussende Zentren im R ckenmark und im Gehirn gew hrleistet Zunehmende F llung der Blase aktiviert die Nervenzellen des Blasenentleerungszentrums Mikti onszentrum im Sakralmark in den untersten Abschnitten des R ckenmarks wobei die Aktivit t durch sympathische Blaseninnervation so lange unterdr ckt wird bis die willk rliche Hemmung der Blasenentleerung bewusst beendet wird CUNOO 34 Als haupts chliche Formen der Urininkontinenz werden die Stressinkontinenz un willk rlicher Abgang von Urin z B beim Husten Heben oder Lachen die Urge Inkontinenz h ufiger heftiger Harndrang geringes Harnvolumen und die Blasenh
138. e Synchro nisations bzw Desynchronisationsph no mene zur Gewinnung von Steuerungssig nalen Die Ableitpunkte liegen wieder bei C3 04 supplementoy motor area SMA Abb 2 39 Desynchronisation des Rhythmus Oft treten auch Ver nderungen im Beta bei der Vorstellung einer Bewegung Band bei 16 24 Hz auf 0 TE TE 0 20 iae Da die exakten Werte intersubjektiv verschieden sind wird vor dem BCl Training meist eine Offline Analyse von EEG Daten der Bewegungsvorstellungen durchge f hrt um die relevanten Frequenzbereiche und den besten Zeitpunkt f r eine Unter scheidung herauszufinden Dies erfolgt durch Mittelung der Frequenzspektren meh rerer Versuche Auch die geeigneten Elektrodenpositionen k nnen differieren wes halb eine Verwendung mehrerer Ableitpositionen f r die Offline Analyse sinnvoll ist quantitatives EEG QEEG Im Online Betrieb erh lt die Person direktes Feedback ber die gemessen Werte H ufig dient die vertikale oder horizontale Auslenkung eines Cursors zur Auswahl mehrerer Selektionen am rechten bzw unteren Bild schirmrand Basket Paradigma Wolpaw und Kollegen konnten bereits Vertikale Kontrolle 24 Hz Horizontale Kontrolle 12 Hz 1994 eine zweidimensionale Cursor steuerung zeigen Wadsworth BC die bis heute verbessert wird Dabei werden die vertikale und horizontale i Bewegung durch verschiedene Fre uV quenzbereiche gesteuert Abbildung 2 40 zeigt die Bestimmung der besten Parameter f r
139. e die Befestigung von Markern oder Elektroden Die Grundlage f r eine Auswertung der Kopfposition bietet die Opti on feature tracking des Camera Elements Ist diese Option gew hlt wird vom Came ra Element ein Gesichtserkennungsalgorithmus ausgef hrt und die berech neten Positionen von Nase und Kinn werden an den Output Ports des Elements ausgege ben Bei erkannter Gesichtsposition werden die Nase mit einem gr nen Punkt und das Kinn mit einem gelben Punkt markiert Ergibt die Plausibilit tspr fung der Punkte zu gro e Fehlerwerte werden die Punkte rot dargestellt und eine neue Initialisierung der Gesichtserkennung wird durchgef hrt Die Ausgabewerte des Camera Elements Ports 1 und 2 x y Motion relative Anderung der Position der Nase in Pixel Ports 3 und 4 x y Click relative Anderung der Position des Kinns in Pixel Diese Informationen werden durch Transformationen f r das MouseConiroller Ele ment verwendbar gemacht x und y Motion werden ber wenige Messwerte gemittelt etwa 50 Samples was ein Zittern vermindert und anschlie end mit einem w hlba ren Faktor skaliert Durch die Skalierung kann die Reaktionsgeschwindigkeit bzw Genauigkeit der Positionierung bestimmt werden In x Richtung ist der Faktor nega tiv da eine Spiegelung n tig ist um eine gleichsinnige Bewegung des Maus Zeigers zu erzielen Die berechneten Werte dienen als Input f r die Ports xPos und yPos des Mouse Elements Das Element wird f r be
140. e etwas h here Gleichtaktunter EEE ER dr ckung wodurch eine Verwendung von Abb 3 20 Der MonolithEEG Verst rker Elektrodenkabeln ohne Schirmung m g lich ist Die Analog Digitalwandlung erfolgt mit einer Genauigkeit von 10 Bit und einer Abtastrate von bis zu 1kHz F r die Daten bertragung zum PC oder zu anderen Endger ten steht eine USB Verbindung zur Verf gung Hierf r wird der Schnittstel lenkonverterchip FT232 der Firma FTDI verwendet durch den eine bertragung der UART Pakete via USB einfach m glich ist Am PC erfolgt der Empfang der Datenpa kete mittels eines virtuellen COM Ports VCP es sind bertragungsgeschwindigkei ten von bis zu 1 MBit Sekunde m glich Die Stromversorgung erfolgt ebenfalls ber den USB Port was zus tzliche Batterien oder Netzadapter berfl ssig macht MUEO5 et Abb 3 21 Die SMD Platine des MonolithEEG links Oberseite rechts Unterseite Gr e 9x5 5cm 3 3 2 1 Spezifikationen des Monolith EEG Tabelle 3 10 MonolithEEG technische Spezifikationen MUE05 67 3 3 4 Firmware zur Verwendung der OpenEEG Hardware Die Firmware f r den Mikrocontroller steuert die Analog Digital Wandlung verarbeitet die digitalisierten Werte in Datenpakete und sendet die Pakete ber das UART Interface an das Zielger t Je nach Ausf hrung der Firmware ist auch ein bidirektio naler Betrieb m glich bei dem das Zielger t auch als Sender fungiert und z B Pa rameter wie die Sampling R
141. eedback von Hirnaktivit t bei epilepti schen Anf llen in Winfried Rief Niels Birbaumer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indikation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X SUT92 E E Sutter The brain response interface communication through visually induced electrical brain responses Journal of Microcomputer Applications v 15 pp 31 45 1992 TEIOO Malvin C Teich Steven B Lowen Bradley M Jost and Karin Vibe Heart Rate Variability Measures and Models Department of Electrical and Computer Engineering Boston University Online Ressource 14 8 2006 http arxiv org PS_cache physics pdf 0008 00080 16 pdf VOBO6 Open Source Lernplattform Vorarlberg Online Ressource 18 7 2006 http www vobs at Bio physiologie a neuro 4 htm VID73 J J Vidal Toward direct brain computer communication Annu Rev of Biophys Bioeng pp 157 180 1973 WHEO3 Kevin R Wheeler Charles C Jorgensen Gestures as Input Neuroelectric Joysticks and Keyboards IEEE Pervasive Computing 2003 IEEE 1536 1268 03 WIEO3 Peter Wiebe Biosignale f r die Kommunikation bei Mensch Maschine Systemen Dissertati on and der Univers t Duisburg Essen 2003 Online Ressource 10 10 2006 http deposit ddb de cgi bin dokserv idn 970509480 amp dok_var d1 amp dok_ext pdf amp filename 970509480 pdf WOL91 J Wolpaw D McFarland G W Neat and C A Forneris An EEG based brain computer interface for cursor control Electro
142. efindet ist es bis heute nicht einfach ein gutes System zu einem vern nftigen Preis zu finden Viele Ans tze sind noch in Entwicklung kaum ein preisg nstiges Produkt bietet eine Maussteuerung mit Klick Funktion ohne exter ne Schalter Ein Nachteil der teureren Systeme zur Ermittlung der Blickrichtung ist die meist eingeschr nkte Bewegunggsfreiheit f r den Kopf Die Betrachtung dieser Umst nde f hrt zur berzeugung dass die Entwicklung eines kosteng nstigen Sys tems zur Cursorsteuerung mittels Webcam sinnvoll und machbar ist 45 2 5 Brain Computer Interfaces Brain Computer Interfaces BCIs erm glichen die Verwendung eines Computers durch willk rlich herbeigef hrte Ver nderungen der Gehirnaktivit t Das EEG wird mittels Verst rkerhardware gemessen und durch Softwarealgorithmen ausgewertet die ermittelten Parameter dienen zur Zeigersteuerung zur schriftlichen Kommunika tion oder zur Ansteuerung von Effektoren BCIs haben in den letzten Jahren viel me diale Aufmerksamkeit erregt da seit Anfang der 1990er Jahre die Ergebnisse konti nuierlich verbessert werden konnten Die ersten erfolgreichen BCI Experimente wur den jedoch bereits in den 70er Jahren durchgef hrt VID73 Neben der amyotrophen Lateralsklerose ALS verursachen auch andere Krankhei ten wie Polyneuropathie Zerebrall hmung oder subkortikale Blutungen eine komplet te Paralyse der Betroffenen locked in wobei auch die Kontrollm glichkeit ber Lid schla
143. egt zu gro en Teilen in den Ganglien au erhalb des Wirbelkanals Das Sonnengeflecht eine nur durch die Bauchmuskulatur gesch tzte Ansammlung miteinander verbundener Ganglien ist ein wesentlicher Teil des Sympaticus Der Parasympathicus hat Schwerpunkte im Nachhirn und im R ckenmark der Kreuzregion und im Nervus Vagus dem 10 Ge hirnnerv VOB06 Der Hypothalamus im Zwischenhirn ist ein zentrales Steuerungsorgan des vegetati ven Nervensystems Zu den Aufgaben geh ren die Regulation der K rpertemperatur des Kohlenhydratstoffwechsels und des Mineralstoff und Wasserhaushalts die Steuerung der Abgabe von Harn und Schwei und die Steuerung der Sexualit t Die Weiterleitung von Information erfolgt sowohl nerv s als auch ber Hormone VOB06 2 Eigenschaften und Anwendung von Biosignalen Mit dem Begriff Biosignal k nnen im weitesten Sinne alle messbaren Vitalparame ter von Organismen bezeichnet werden Zu den menschlichen Biosignalen z hlen sowohl Stimme als auch Mimik Gestik K rperbewegungen oder elektrisch messba re Gr en wie Nerven und Muskelaktivit t bioelektrische Signale Die Art der Mes sung bestimmt die Modalit t der gemessenen Information K rperbewegungen k nn ten etwa visuell mit einer Kamera akustisch ber Kontaktmikrofone oder elektrisch durch Muskelelektroden erfasst werden Welche Form der Messung am besten ge eignet ist entscheidet sich durch die Charakteristik der relevanten Information sowie dur
144. eigener Biosignalprojekte geebnet hat J rg verstand es mich zu motivieren und seine Ferndiagnosen von Platinenfehlern haben sich nahezu immer bewahrheitet In gleicher Weise danke ich Reiner M nch dem Designer des MonolithEEG dessen Einsatz zu einer Verbesserung und Miniaturisierung des ModularEEG Konzeptes f hrte und der mir durch seine Unterst tzung einen reibungslosen Einstieg in die Fer tigung von SMD Platinen erm glichte Weiters geb hrt mein Dank Jim Peters dessen Arbeiten im Bereich digitaler Filter eine Grundlage f r die Entwicklung meiner Applikation darstellten und der es ver mochte die Konzepte der digitalen Signalverarbeitung auf eine verst ndliche Weise zu vermitteln Ich m chte auch allen Benutzerinnen und Benutzern der entstandenen Software danken die mit ihrem Feedback zu einer Weiterentwicklung des Programms beitra gen im besonderen Jeremy Wilkerson der sich selbst an der Programmierung neuer Elemente beteiligte und seine Ideen zur Verbesserung der Applikation einbrachte Last but not least gilt mein Dank den Betreuern meiner Diplomarbeit Prof Dr Wolf gang Zagler und DI Dr Paul Panek vom Institut integriert studieren der Techni schen Universit t Wien Sie erm glichten mir ein freies Arbeiten und vertrauten auf meinen Vorschlag f r das Thema der Arbeit unterst tzten meine Ideen und standen mir mit Erfahrung und ihrem Rat zur Seite Zur Struktur dieser Arbeit Kapitel 1 zeigt die geschichtliche
145. eine Fehlermeldung erzeugt und die Funktion returniert FALSE andernfalls wird TRUE zur ckgegeben BOOL BreakDownCommPort void Wenn ein Com Port ge ffnet ist wird dieser geschlossen und der zugeh rige Lese Ihread wird beendet 6 5 7 Modul Timer cpp Dieses Modul beinhaltet Funktionen f r die Verwaltung der zeitgesteuerten Pro grammaktivit ten wie die Initialisierung und De Initialisierung der Timer Interrupt Routine und die Aktualisierung der TIMING Strukur Wenn keine Daten bertragung von Biosignaldaten durch einen Com Port stattfindet kontrolliert die Timer Interrupt Routine die Verarbeitung von Paketen und den Aufruf der work Funktionen der aktiven Elemente der Konfiguration void init_system_time void Ermittelt die Eigenschaften des PerformanceCounters das ist die genaueste Quelle von Zeitinformation in einem Windows System und setzt die Variable TTY packettime entsprechend der gew hlten Samlerate PACKETSPERSE COND Der Paketz hler und die aktuelle Session Zeit werden Null gesetzt void process_packets void Diese Funktion f hrt die Signalverarbeitung durch indem die Elemente der Design Konfiguration abgearbeitet werden Der Aufruf dieser Funktion erfolg mit der aktuellen Samplerate Die Datenpakete werden von den Output Ports der Elemente zu den Input Ports der nachfolgenden Elemente geleitet und die work Funktionen aller Elemente der Konfiguration werden aufgerufen Da nach werden der Paketz hler und die
146. eine dauerhafte Verwendung als Mausersatz Die Stabilit t k nnte durch die Verwendung von Active Appearence Models zur Gesichts und Mimikerken nung sicherlich erh ht werden 1742 9 3 Evaluation des Settings zur Muskelrehabilitation F r den Test der Design Konfiguration zum Muskeltraining siehe 8 3 wurde ein Laptop Computer mit Pentium IV M Prozessor und einer Taktfrequenz von 1 6 GHz verwendet 256MB RAM Betriebssystem Windows XP professional Die Gra fikkarte unterst tzt eine Hardwarebeschleunigung f r OpenGl Kommandos Obwohl mit schnelleren Systemen eine bessere Performance vor allem bei grafikintensiven Darstellungsformen erzielt werden k nnte wurde ein Computer gew hlt der mittler weile preisg nstig am Gebrauchtcomputermarkt zu erwerben ist da viele Menschen die an einer kosteng nstigen L sung f r Biofeedback interessiert sind nicht die neu este Hardware zur Verf gung haben Um die praktische Verwendbarkeit des Sys tems f r die Muskelrehabilitation zu berpr fen wurden mehrere Trainingseinheiten mit einer 70 j hrigen Patientin durchgef hrt die seit 20 Jahren an einer progredien ten Form der Multiplen Sklerose leidet Die Patientin ist seit etwa drei Jahren nicht gehf hig und erlitt vor zwei Jahren eine Amputation des rechten Beines unterhalb des Knies verursacht durch eine diabetesbedingte Insuffizienz der Blutversorgung T gliche Ubungen und Physiotherapie sind sehr wichtig um den Allgemeinzustand und
147. eiter sch tzt vor allem gegen Einkopplungen durch elektrische Felder effektiv Eine Seite der Schirmung wird dabei mit dem Nullpotenzial verbunden Der Schutz gegen ber Einstreuungen durch magnetische Felder ist schwieriger da diese die Schirmung durchdringen Bei der aktiven Schirmung guarding wird der Gleichtaktanteil ber einen zus tzlichen Operationsverst rker der als Impedanzwandler dient zur Speisung der Kabelschir mung verwendet Dadurch wird die St rung durch magnetische Felder vermindert und eine h here CMR erzielt 3 1 3 2 Artefakte durch andere Biosignale Vor allem bei der Messung des EEG ist die Einstreuung st rkerer Biopotenziale an derer Herkunft ein Problem EOG EKG und EMG berlagern das kleinere Signal Haben die St rsignale andere Frequenzkomponenten k nnen geeignete Filter ver wendet werden Weitere Strategien sind die Wahl anderer Elektrodenpositionen bi polar kleinerer Abstand die Kennzeichnung und nachtr gliche Entfernung der Arte fakte oder die Verwendung von Softwarealgorithmen zur Artefaktentfernung z B independent component analysis ICA 3 1 3 3 Artefakte durch Bewegungen von Elektroden oder Kabeln Diese f hren zu einer Schwankung in der Qualit t des elektrischen Kontaktes und somit zu Spannungsschwankungen am Verst rkereingang Weiters kann eine Bewe gung der Kabel St rstr me induzieren Eine gute Montage der Elektroden Kontakt gel und eine Zugentlastung der Kabel sind sinnvoll
148. eived new connection Eon 127 0 0 1 Got connection on client Got header tiot auf dem ein Neuroserver ERS ETEC MCH OAAAAA4 M A1L JAN 10AL Severe_OSAS_patient Startdate 82 JUL 1998 PSG 00007 00 MT NihonKohden 8SCREC Prozess l uft Dies kann auch ra AR VE EEE Renz EEG C3 M2 EEG 01 M2 der lokale Rechner localhost Sirius Rs re ale CARE sein Zum lokalen Starten des Service wird im Men Network die Option Start Neu roserver gew hlt AyAygCl electrodes ed Abb 7 45 Lokal laufender Neuroserver mit aufgebauter Sendeverbindung Verbindung des TCP Sender Elements mit dem Neuroserver Service Beim Aufbau der Verbindung werden Informationen zur Aufnahme durch einen EDF Header bertragen Personendaten verwendete Hardware sowie die Signalkan le k nnen durch den Benutzerdialog beschrieben werden Dazu sollten alle zu bertra genden Signale bereits an das Element angeschlossen sein Um eine Verbindung zum Neuroserver herzustellen wird die IP Adresse oder localhost in das Textfeld Neuroserver eingegeben und Connect bet tigt Im Falle einer erfolgreichen Verbin dung erscheint in der Statusbox Entering EEG mode und OK Neuroserrer Sender Heuroserver localhost cme e Fatient standard EEG Device Modular EEG Unit Channels 12 Segments Segment Duration Samples Segment 256 SamplngratelHz 256 Channel 1 EEG Channel Label EEG Channeli Transducer Ag gll Electrode Physical dimension Fan Physical minim
149. elementen mittels grafischer Benutzeroberfl che transformiert kombiniert oder klassifiziert eine Archivierung Wiedergabe und Telemetrie von Sig naldaten ist im EDF Format m glich 178 Die Software bietet Funktionen zur Auswertung des Live Kamerabildes einer Web cam mittels Algorithmen f r Gesichtserkennung und Bewegungserfassung Die hier bei erhaltenen Informationen ber Bewegungen von Kopf und Kinn dienen zur Steue rung des Mauszeigers und zur Ausl sung von Maus Klicks Die prinzipielle Ver wendbarkeit des Systems als Mausersatz bzw als Alternative zur anderen Eingabe hilfen f r Menschen mit Querschnittsl hmung bei freier Beweglichkeit des Kopfes wurde evaluiert Mit einer Bildschirmtastatur konnten dabei Schreibgeschwindigkei ten von etwa 25 Zeichen pro Minute erreicht werden Dies stellt zwar verglichen mit aktuellen Videookulographiesystemen eine langsame Transferrate dar jedoch sind derartige Systeme viel teurer und schr nken eine oft noch vorhandene Beweglichkeit des Kopfes weiter ein Das Kamera Maus System zeigt vor allem bei einer h ufigen Verwendung substanzielle Vorteile gegen ber infrarotbasierten Eingabehilfen die einen im Gesicht aufgeklebten Reflektorpunkt und oft einen externen Schalter f r die Mausklicks ben tigen Auch gegen ber Eingabesystemen die auf Elektrodenablei tungen beruhen erweist sich die ber hrungsfreie Erfassung von Bewegung und Mi mik als komfortabel Dennoch gibt es viele Personen f
150. ellt Grunds tzliche Informationen zum Projekt gibt es auf der Homepage http openeeg sf net wo auch die Schaltpl ne und Bauanleitungen f r die Hardware verf gbar sind Speicherplatz f r die Homepage und Mailingliste werden von http www sourceforge net kostenlos zur Verf gung gestellt Die mittlerweile ausgereiften Hardwarekonzepte hei en ModularEEG MonolithEEG und SoundCardEEG Das SoundCardEEG verwendet die Soundkarte des PC zur Digitalisierung der Signale mittels FM oder AM Modulation des EEG Signals und Demodulation durch eine PC Software Im Folgenden werden ModularEEG und MonolithEEG genauer vorgestellt weitere Details zum SoundcardEEG siehe O PEO4A 3 3 1 Der ModularEEG Verst rker Der ModularEEG Verst rker wurde von J rg Hansmann entwickelt HANO3 Das System besteht aus zwei bis vier Platinen Printed Circuit Boards PCB im Format 8 x 10 cm Eine Platine beherbergt den Mikrocontroller zur Digitalisierung und Aufbe reitung der Daten Digital Board jeweils zwei Verst rkerkan le sind auf den weite ren Platinen Analog Boards untergebracht So ist die Anzahl der Kan le von zwei bis sechs w hlbar gt r OpenEES 3 moritrer vB 5 Sem OR S ig ER TE re gr OpenEE6 digital Ar c112 v 07 Dac aaa ee CIT Abb 3 17 Digital Board links und Analog Board rechts des ModularEEG Verst rkers 64 3 3 1 1 Die Verst rkerplatine des ModularEEG das Analog Board
151. em g lti gen Wert Count TRUE gt FALSE Transistions z hlt berg nge zu INVALID_VALUE Die Auswahl von Count Frequency berechnet die Frequenz derartiger berg nge in Hz Der aktuelle Wert wird am Output Port des Elements ausgegeben und durch Auswahl von Show Counter Window in einem zus tzlichen Fenster mit w hlbarer Schriftgr e und Farbe dargestellt Durch die Auswahl von Integer Value erfolgt ein Runden der Ausgabe auf ganzzahlige Werte Der Z hler kann durch Dr cken von Reset Counter Value auf einen einstellbaren Wert zur ckgesetzt werden dieses R cksetzten erfolgt auch durch Bet tigung von Reset in der Statuszeile 7 6 2 5 Das Debounce Element ET Debounce isi Das Debounce Element unterdr ckt ein vermehrtes Aufkommen des Wer Debounce Time Samples E tes INVALID_VALUE in einem Signal Das Intervall zur Uberpr fung wird durch den Benutzerdialog festgelegt Abb 7 22 Parameterdialog des Debounce Elementes 145 Durch dieses Element kann ein Hin und Herspringen verhindert werden wenn sich der Signalwert nahe einem eingestellten Grenzwert bewegt und deshalb uner w nscht oft Aktionen wie zB Mausklicks oder T ne ausgel st werden 7 6 2 6 Das ERP Detect Element x Trials to average 1150 Epach Length zamples 1256 Pre stimulus time samples 50 Start detection n Status E etechon Mode ERP File 2H zZ erp Save ERF signature Load ERF signature Abb 7 23 Parameterdia
152. emen siehe Abb 2 34 Das Verfahren beruht auf der Extraktion der Au genposition durch die Unterschiede zweier aufeinander fol gender Bilder beim Lidschlag Besteht das so ermittelte Au genpaar eine Plausibilit tspr fung Gr e und Orientierung im Raum wird ein Online Template von der Augenregion er l Ai zeugt das in weiterer Folge zur Lokalisation der Augen und o l e FA zur Erkennung von Lidschl gen verwendet wird Korrelations verfahren So lassen sich auf einem Pentium IV Computer Frameraten von etwa 30 Bildern pro Sekunde und Erkennungsraten von etwa 93 Prozent erreichen Das Ver fahren ist von der Umgebungsbeleuchtung weitgehend unabh ngig und funktioniert auch bei Brillentr gern BET 05 Das Nouse System von Dmitry Gorodnichy ist ein kamerabasiertes Maus Interface das eine freie zweidimensionale Bewegung des Bildschirmcursors durch eine Web cam erlaubt Der Cursor wird dabei durch eine Bewegung des Kopfes bzw der Nase gelenkt Die verwendete Kameraaufl sung betr gt nur 160 x 120 Bildpunkte die Verarbeitung erfolgt mit etwa 30 Bildern pro Sekunde Zur Vorverarbeitung f r die Gesichtsdetektion wird eine Segmentation nach der Hautfarbe durchgef hrt 43 Dazu ben tigt das System eine Kalibrierung manuelle Auswahl der Nase Danach dienen die konvexe Form der Nase und der Lidschlag als Merkmale f r eine Gesichtserkennung Der Lid schlag wird durch die Ver nderungen zweiter Ordnung die Ge schwindigkeit e
153. en Puffer gegebener Gr e in eine Datei namens lt pszfFile Name BOOL load_configfile LPCTSTR pszFileName L dt eine Design Konfiguration mit dem gegebenen Namen Falls die Datei e xistiert und eine Konfiguration beinhaltet wird eine laufende Session gestoppt Die bestehende Konfiguration wird geschlossen und alle Elemente werden 107 freigegeben Die Elemente und Einstellungen der neuen Design Konfiguration werden aus der Datei geladen die neuen Elemente werden erzeugt und die Signalwege verbunden Falls die Option GLOBAL autorun gesetzt ist wird die neue Konfiguration gestartet Nach einem erfolgreichen Laden wird TRUE zu r ckgegeben ansonsten FALSE BOOL save_configfile LPCTSTR pszFileName Erzeugt eine Konfigurationsdatei mit dem gegebenen Namen und speichert Art und Einstellung der aktuellen Elemente in diese Datei Nach einem erfolg reichen Speichern wird TRUE zur ckgegeben ansonsten FALSE BOOL save_settings void Speichert die Applikations Optionen in eine Datei namens brainbay cig Zu den Optionen geh ren die Samplingrate COM Port Einstellungen Firmware Protokoll Midi Ger te automatisches Laden und Starten der letzten Konfigu ration und Darstellungsgeschwindigkeiten der Ausgabefenster BOOL load_settings void L dt die Applikations Optionen aus der Datei brainbay cfg int load_next_config_buffer HANDLE hfFile Liest eine Zeichenkette bis zum Auftreten der Bezeichnung end object aus der Datei lt
154. en Schmerzsymptomen gastrointestinaler sexueller und pseudoneu rologischer Art Liegen einige aber nicht alle dieser Beschwerden vor spricht man 32 von einem Somatisierungssyndrom Sch tzungsweise leiden 4 11 aller Perso nen in westlichen Industriel ndern unter einem behandlungsbed rftigen somatofor men Beschwerdebild NANO0O Oft entwickeln die Betroffenen die Angst es k nnte eine ernsthafte Erkrankung die Ursache der Beschwerden sein Hypochondrie Durch die gesteigerte Aufmerksamkeit werden die wahrnehmbaren Symptome ka tastrophierend fehlinterpretiert und die intensiven ngste bringen neue Symptome hervor Ein kognitiv verhaltenstherapeutischer Ansatz kombiniert mit Biofeedback ist eine m gliche Behandlungsstrategie Das Biofeedback dient hierbei zur Modifikation des organmedizinischen Krankheitskonzeptes zu einer Steigerung der Selbstwirk samkeitserwartung und zur Motivationsf rderung f r die psychotherapeutische Be handlung Ziel ist dass der Patient oder die Patientin wiederholt die Erfahrung macht dass psychische Prozesse biologische Funktionen ver ndern Dadurch kann eine Uminterpretation von einem organmedizinischen in ein psychophysiologisches Krankheitsbild unterst tzt werden NANOO Als Methode eignet sich die Mehrkanal ableitung mit EDA EMG Temperatur und Atmungsfeedback In den Sitzungen wer den wiederholt Belastungs und Stressprovokationstests Fokussierung auf k rperli che Missempfindungen Leist
155. en USA ist vermutlich auch durch die st rkere Popularit t von Bio und Neurofeedback in den Vereinigten Staaten zu erkl ren Geografischer Standort Land Region Stadt United States germany Canada Italy Netherlands Russiar Federation France Spain Australia Poland Abb A 3 Zugriffsstatistik nach L ndern Der Prozentsatz der wiederkehrenden Besucher liegt derzeit bei 11 9 Vor allem nach der Ank ndigung eines Software Updates in der OpenEEG Liste ist ein Anstieg der Zugriffe und der Downloads von der Seite zu bemerken 181 Quellen der Abbildungen Abb 1 1 William Gilbert Elektroskop in MAL95 Abb 1 2 Leydener Flasche Darstellung von ca 1800 Online Ressource 12 8 2006 http de wikipedia org wiki Bild Leid flasch gif Abb 1 3 Erregung eines Nerv Muskel Pr parates Luigi Galvani 1760 in MAL95 Abb 1 4 Voltaische S ule http chem ch huji ac il eugeniik history volta htm Online Ressource 10 7 2006 http www ktf split hr glossary en_o php def voltaic 20pile Abb 1 5 Nobili Galvanomter von Leopoldo Nobili in MAL95 Abb 1 6 Schematische Darstellung einer Nervenzelle in Carlson Niel A 1992 Foundations of Physiological Psychology Needham Heights Massachusetts Simon amp Schuster pp 36 Abb 1 7 Zellmembran und eingelagerte Membranproteine Online Ressource 12 8 2006 http www physiology de kanal iono01 htm Abb 1 8 Elektrisches und chemisches Potenzial an der Me
156. en ein Gef lle im unerw nschten Stopp Band auf sodass Anteile in der N he der Grenzfrequenz nicht v llig unterdr ckt werden k nnen Steilheit des Filters filter roll off Eine gute Filtercharakteristik im Fre quenzbereich bietet der Chebyshev Filter gefolgt vom Bufterworth Filter und vom Bessel Filter der im Frequenzbereich eher ungenau abschneidet SMIO1 1 6 1 6 1 I i m I I I EM EZY e PS 4 __ Bessel I man Slawrug fema ee Amplitude gt o o9 1 2 3 4 5 0 Frequenz Hz Frequenz Hz Frequenz Hz Abb 4 3 Frequenzantwort von Chebyshev Butterworth und Bessel Filtern Die Abbildung zeigt das D mpfungsverhalten von Tiefpassfiltern bei einer Grenzfre quenz von 1 Hz Der Chebyshev Filter 8ter Ordnung hat hier das beste Verhalten wobei Frequenzen ab 1 5 Hz schon fast vollst ndig unterdr ckt werden Ein Bessel Filter 8ter Ordnung schafft dies erst ab ca 4 Hz Allerdings zeigt der Chebyshev Filter Unregelm igkeiten ripple im Passband unter 1 Hz wo das Signal ja unver ndert bleiben sollte Der Butterworth Filter stellt einen Kompromiss dar und erreicht gute Frequenzcharakteristik bei flachem Passband SMIO1 Eine genaue Frequenzselektivit t eines Filters bewirkt allerdings ein berschie en und St rschwingungen im Zeitbereich overshooting ringing Die Filter ver ndern die Amplitude sowie die Phase eines Signals was an der Verarbeitung eines Recht eck Impulses deut
157. en und mit Hilfe des Feedbacks aus der Community Verbesserungen durchzuf h ren Ein weiteres Ziel f r die Zukunft ist es BrainBay in Verbindung mit bestehenden und neuen Hardwarel sungen in der Praxis zu testen und im Bereich der Kommunikati onsunterst tzung einzusetzen 179 A Die BrainBay Homepage A 1 Aufbau und Verf gbarkeit Die BrainBay Homepage besteht seit der ersten lauff higen Projektversion 2004 Im Zuge der Arbeiten f r die Diplomarbeit wurde die Homepage neu strukturiert und mit Manuals f r Entwicklerinnen und Entwickler sowie einem Benutzerhandbuch aus gestattet Das Hauptmen bietet nun Sektionen f r eine prinzipielle Erkl rung der Einsatzm glichkeiten Screenshots die gesammelten Dokumente und Publikationen eine Liste der Updates und den Download Bereich f r Programm und Quellcode BrainBay Mozilla Firefox ag Datei Bearbeiten Ansicht Gehe Lesezeichen Extras Hilfe De a D Eg F d hip Ybrainbay lo res org Erste Schritte E Aktuelle Nachrichten 1 Visual Information Webcam BRAINBAY Bioelectric Signals other Sensor Data Screenshots N Documentation ae EE BEIEW ETLI BrainBay Downloads Signal Processing amp OpenEEG News I Histo Feature Extraction hardware Credits Device Commands Donate Opto Acoustic Information Biofeedback Cursor Control NEWS ErainBay amp OpenEEG Faper and Presentation User and Developer Manual available ses Documentation con
158. en verbesserten Gal vanometer um Ladungsstr me im Nerv Muskel Pr parat zu zei gen Durch Anordnung zweier magnetischer Nadeln in entgegen gesetzter Richtung und Verwendung einer 8 f rmigen Spule konnte er St rungen durch das Erdmagnetfeld ausgleichen und eine h here Messgenauigkeit erreichen siehe Abb 1 5 Ampere postuliert 1827 seine Theorie der Elektrodynamik Abb 1 5 Galvanometer Emil Du Bois Reymond Berlin zeigt 1843 dass ein Muskel in Ruhe auch eine La dung aufweist Ruhepotenzial die bei der Kontraktion weniger wird Diese Poten zial nderung nennt er Aktionspotenzial Er erfindet auch den Stromschneider Rheotom mit dem zeitlich begrenzte elektrische Stimuli erzeugt werden k nnen Der Stimulusartefakt kann nun zum ersten Mal von der physiologischen Antwort ge trennt werden Artefaktunterdr ckung was die ersten Analysen des Zeitverlaufs von Erregungsvorg ngen erm glicht Diese Entdeckungen legten den Grundstein f r die Messung von EEG EKG und EMG Hermann Helmholtz trug durch seine Erkenntnisse zur Zell und Sinnesphysiologie den Energieerhaltungssatz und das Reziprozit ts Theorem 1852 zum Verst ndnis bioelektrischer Ph nomene bei James Clark Maxwell Edinburgh Cambridge postuliert 1865 ein Reihe von Gilei chungen die zeitlich ver nderliche elektrische Str me und Elektromagnetismus ver binden Richard Caton Liverpool registrierte 1875 erstmals elektrische Aktivit t in der Hirn r
159. en zur Platzierung und Fixie rung Elektrodenhauben Caps verwendet die Befes tigungsm glichkeiten an den international genormten A 10 Positionen des 10 20 Systems bieten siehe Abb 2 10 Abb 2 10 Elektrodenpositionen nach dem 10 20 System 4 Inion Der relevante Frequenzbereich des EEG liegt im Bereich von OHz Gleichspan nungskomponente negative Aktivierung bis etwa 100Hz wobei sich ein Gro teil des Frequenzgehaltes unter 40Hz befindet Zur Klassifikation des EEG hat sich die Benennung folgender Frequenzbereiche etabliert Delta 1 4 Hz tritt berwiegend im Schlaf auf stark im Tiefschlaf Theta 4 8 Hz vermehrt bei Tr umen und Meditation bei Kleinkindern Alpha 8 13 Hz im entspannten Wachzustand bei geschlossenen Augen Beta 13 32 Hz im aktiven Wachzustand Die Zusammensetzung des EEG Signals aus diesen Frequenzkomponenten zeigt sich im freilaufenden EEG free running EEG FREEG ohne die Anwendung ma thematischer Verfahren wie z B Mittelung ber mehrere Versuche Das physiologi sche EEG eines Erwachsenen im Wachzustand zeigt wenig Delta und Theta Antei le deutlich ausgepr gte Alpha Anteile die beim Schlie en der Augen zunehmen und Beta Anteile die in den h heren Frequenzbereichen abnehmen siehe Abb 2 11 Im Schlaf sind einzelne Schlaf Stadien Einschlafphase leichter mitteltiefer und Tief schlaf Traumphase REM Schlaf und spezielle Wellen sog Schlaf Spindeln e
160. enceph Clin Neurophy vol 78 pp 252 259 1991 WOL04 J Wolpaw D McFarland Control of a two dimensional movement signal by a noninvasive brain computer interface in humans PNAS Vol 101 No 51 Dec 2004 Online Ressource 5 10 2006 http www pnas org cgi doi 10 1073 pnas 0403504101 YAM99 Hiroki Yamaguchi Daisuke Nichkawa Wenwei Yu EMG control switching System for FES IEEE International Workshop on Robot and Human Interaction Pisa Italy IEEE 1999 0 7803 5841 4 99 ZAG04 Wolfgang Zagler Elektronische Hilfen f r behinderte und alte Menschen Rehabilitations technik 1 Arbeitsunterlage f r Lehrzwecke an der Technischen Universit t Wien Institut integriert studieren Forschungsgruppe f r Rehabilitationstechnik 2004 191
161. ennnn 58 Abb 3 6 Ausreichende SamMplingrale se 2 ee 58 Abb 3 8 Tiefpassfiler Sallen Key Schaltung uss 220400000000nnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnn nennen 58 Abb 3 9 Symbole f r die Kennzeichnung zertifizierter Medizintechnikger te u0s044044000 000 59 ADB 3 10 NoraxomMyoOlrace200 2 2 einen 59 Abb 3 11 Mindpeak WaveRliders as nee ee ae 59 Abb 3 12 Brainmaster Allantiszasanse nsetenee ee ieh 61 Abb 3 13 Symptop EEG Verst rker ee 62 AbB 3 14 Sagra Leona OOs ee ee A 62 AbB 3 19 G leC U SBampa see ee ee A 63 Abb 39 16 N uroscan SYnamp naeh ee ee 63 Abb 3 17 Digital Board und Analog Board des ModularEEG Verst rkers 4u00040440e nennen 64 Abb 3 18 Blockdiagramm der ModularEEG Verst rkerstufen und DRL Schaltung 65 Abb 3 19 Blockdiagramm der Digitalisierung und Daten bertragung zum PC 2 222uuss2220nenee een 66 Abb 3 20 Der MonoliihEEG Verst rker nr an a lu 67 Abb 3 21 Die SMD Platine des MonolithEEG 2 220002222000220n00ennnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen nennen 67 Abb 3 22 Montage der DIY Silberlektroden f r die EEG Ableitung nnnnn0nnnnnnnennnnenennnnenennnnnenenne 69 Abb 3 23 Komponenten und Einsatz der Messkappe nnsnnaannnnneennnnenrnnnnnnrnnrrennrnnnrensnrrrensrnrreesenne 70 Abb 3 24 Aktive Elektroden f r das OpenEEG u0s02220400000nnennnnnnnnnnnnnnen
162. ennnnnennnenenenenenennenn 130 7 1 Installation und erster Start des Programms 4 44uene nee gt 130 7 1 1 Systemvoraussetzungen nuuueassssenenenennnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnennnnnenen 130 7 1 2 Download der aktuellen Programmversion 2 2402244004400 Rennen nnne ne 130 Feso MELZEICHNISSIEUKLUr SS een 131 7 1 4 Einrichten der Applikation u00200000200000n0nnn nenne nenne nenne nennen 131 7 2 Verwendung von Hauptmen und Statuszeile 133 7 3 Der Farbpaletteneditor 2 2u02200000002000 Benno nenn nenne nennen 134 7 4 Der Tonleltem Edlldr aans ses 134 7 5 Die Erstellung von Design Konfigurationen ere gt 135 7 5 1 Einf gen Benennen und L schen von Elementen 4e 0 135 7 5 2 Verbindung von Elementen 2220220020002000nn0 nenn a nano ann enn nennen 136 7 5 3 Darstellung der Eigenschaften einer Verbindung 220004reee000 136 7 5 4 Anderung von Wertebereich und Signalbeschreibung 137 7 6 Verwendung der Konfigurationselemente u02s022200 gt 137 7 0 1 S19Nnalquellenzeuusu2e Bessere ya 137 Tohi DaS EEG nEle orun a a A O e a 137 7 6 1 2 Das SignalkGenerator Element a Ea 139 FOTS Das Gonstant Element ae In 140 7 6 1 4 Das EDF FileReader Element iirin e a a a a 140 7 6 1 5 Das TCP Receive Element een eh 141 7
163. ent erkannt bertritte des Schwellwertes f r die R Zacke werden von einem Counter Element registriert Dieses l uft im Modus Count Frequency und bestimmt so die Frequenz von Schwellwert bertretungen Die Ausgabe des Counter Elements ist in Hz gege ben eine Ermittlung der aktuellen Pulsrate in BPM erfolgt durch Multiplikation mit 60 durch einen Expression Evaluator Der zweite Counter wird zur Darstellung des Wertes verwendet Threshold Erkennung der R Zacke Preparation ee DE m Die R Zacke ist in dieser Ableitung Ganz u gt fin durch einen stark negativen Ausschlag gekenntzeichnet Die Ursache ist wahr Threshold Levels scheinlich eine nicht standardisierte bigger han 126 00 C AND Ableiteposition Zur Erkennung dient smalerthan A 20 34 OR das Threshold Element Da die Ampli o gt TE tude ber die Dauer der Aufzeichnung en e stark schwankt kommt ein dynami atn BE 2 Only falling values 7 scher Schwellwert zum Einsatz Die ul Grenze wird auf lt 4 der letzten 200 Show Meter Window W Caption Meter Meter Color E Werte eingestellt Abb 8 7 Thresholds zur Erkennung der R Zacke im EKG F r das Audio Feedback werden drei Midi Generatoren mit derselben harmonischen Tonleiter verwendet Da die Dauer einer erkannten Spitze im EKG sehr kurz ist wer den als Tonerzeugungsintervalle kleine Werte von 1 2 und 3 eingestellt Die unter schiedlichen Intervalle bewirken Harmonien durch das gleichzeitige
164. ent kann bis zu sechs Input Ports verarbeiten die mit A B C D E und F angesprochen werden W hrend der Ausf hrung werden die Input Werte in Puffern der angegebenen L nge gespeichert Nach dem Aufruf von Matlab durch Bet tigung von call now k nnen in der Matlab Umgebung Datenfelder mit den letzten n Werten der Input Ports als Variablen A B C angesprochen werden und die angegebene Matlab Funktion wird ausgef hrt Das Ergebnis einer Berechnung wird in Form der ANS Variable an BrainBay zur cktransferiert und kann am Output Port des Matlab Elements ausgelesen werden Durch eine Auswahl von Call Periodic wird der Trans fer periodisch mit der Samplefrequenz durchgef hrt Dies ist nur bei Matlab Funktionen sinnvoll die sehr wenig Rechenzeit ben tigen Details zur Matlab Engine siehe MATO6 150 7 6 2 13 Das Magnitude Element MAGNITUDE Magnitude Filter Type Butterworth B andpass r Center Hz al E fi 0 00 width Hz gt 2 00 Fiter Order 4 OuputGanfion amp Apply Abb 7 31 Parameterdialog des Magnitude Elementes Das Magnitude Element wird zur Ermittlung der Aktivit t in einem bestimmten Fre quenzband des Signals verwendet Diese Funktion wird h ufig mit Power in Pass band bezeichnet Durch die Auswahlbox Filter Type k nnen Bessel Bandpass oder Butterworth Bandpass gew hlt werden f r Details zur Filtereinstellung siehe Filter Element 7 6 2 8 bzw Jim Peter s FiView Applikation
165. enzfrequenz eines Filters wird durch Stre ckung oder Stauchung der Impulsantwort beeinflusst Neben der Unterdr ckung oder Hervorhebung von Frequenzen eignen sich Filter zum Hinzuf gen oder Entfernen von Echos sowie zur Realisierung mathematischer Operationen wie Differentiation oder Integration SMIO1 Eine algoritnmische Realisierung der Faltung k nnte folgenderma en aussehen Eingangssignal x 8 Impulsantwort h 30 0 Ausgangssignal y 110 ine 3 5 for i 04 1x 7192 IFF FOr AFLLI O IRG J Or 3 ie dee 20 Se eo yo PP RELS 4 3 2 Weitere Arten digitaler Filter Die Form der Impulsantwort bestimmt die Eignung des Filters f r bestimmte Zwecke So hat etwa der moving average Filter dessen Impulsantwort aus m Werten der Amplitude 1 m besteht ein verzerrungsfreies Verhalten im Zeitbereich jedoch einen schlechten roll off und somit ungenaues Verhalten im Frequenzbereich Zur Separa tion von Frequenzen eignet sich der windowed sinc Filter dessen Impulsantwort eine gegl ttete Form der Funktion sin x x darstellt Der Wiener Filter eignet sich f r die optimale Erh hung des Signal Rausch Abstandes 78 Durch Faltung erzeugte Filter werden als FIR Filter bezeichnet finite impulse res ponse da die Impulsantwort im Gegensatz zu den rekursiven IR Filtern begrenzt ist infinite impulse response Rekursive Filter beziehen nicht nur das Eingangssignal sondern auch die letzten Werte des Ausgangssi
166. er te 59 3 2 Kommerzielle Biosignalverst rker ein berblick Viele der derzeit erh ltlichen Biosignalverst rker haben als Zielgruppe nicht den pro fessionellen Markt f r Kliniken und Medizintechnik sondern es sollen vermehrt priva te Anwender angesprochen werden Durch die zunehmende Popularit t von Bio feedback und Entspannungstechniken konnten sich mehr und mehr Firmen in die sem Marktsegment etablieren Dies f hrte zu einer gr eren Auswahl an Ger ten und g nstigeren Preisen f r die Hardware Auch die Anwendung wurde durch die Miniaturisierung der Ger te und die M glichkeit kabelloser Daten bertragung kom fortabler Im unteren Preissegment findet man heute einige Ger te die f r viele Anwendungs bereiche eine ausreichend genaue Messung erm glichen Diese low cost Produkte unterscheiden sich vor allem in der Aufl sung Abtastrate und Anzahl der Kan le von teureren Biosignalverst rkern und werden als Heim Trainingsger te vertrieben Standalone Biofeedback Ger te erm glichen beispielsweise das Beckenbodentrai ning EDA Feedback oder Atemfeedback Hier sind etwa die Systeme der Firma ln sight Instruments zu nennen f r die allerdings keine genauen Spezifikationen ver f gbar sind das Myself Beckenbodentrainingsger t 120 und das Respirate A temfeedbacksystem 350 Das HRV Trainingsmodul Stressball 720 ist ein PC gebundenes Trainingssystem f r EKG HRV Feedback INS06 Im Folgenden wer
167. er Membran von Ner venzellen indem ein Kompensationsstrom jeder Anderung entgegenwirkt Durch den Einsatz spezieller Gifte k nnen Typen von lonenkan len blockiert und so der Strom fluss durch die nicht blockierten Kan le gemessen werden Thetrodotoxin TTX das Gift des Pufferfisches wurde zur Blockierung von Na Kan len verwendet Alan Hodgkin und Andrew Huxley Cambridge untersuchten die Vorg nge an der Zellmembran sehr genau und entwarfen 1952 ein mathematisches Modell f r die Entstehung der Aktionspotenziale siehe Kapitel 1 3 1963 gelang Gerhard M Baule und Richard McFee die erste Ableitung eines bio magnetischen Signals vom Herzen Magnetokardiogramm MCG Sie verwendeten dabei dasselbe Prinzip zur Minderung magnetischer Artefakte wie Leopoldo Nobili 1825 Eine erhebliche Leistungssteigerung der Magnetfeldmessungen gelang Zim mermann Thine und Harding 1970 durch die Verwendung supraleitender Materialien in der Spulentechnik Superconduction Quantum Interference Device SQUID David Cohen gelang damit 1972 erstmals die Messung des Magnetenzephalogramms MEG Erwin Neher und Bert Sakmann G ttingen entwickelten 1976 die Patch Clamp Technik mit Hilfe derer sich Str me von einzelnen lonenkan len messen lassen Bei der Patch Clamp Technik wird der Strom durch eine sehr kleine wenige um gro e Fl che Patch der Membran gemessen an die eine vorgegebene Spannung angelegt wird Clamp In dem Patch dem Membranst ckchen si
168. er Transformation ss22224400000n0nnnnnennnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnn 81 Gl 4 9 Inverse Diskrete Fourier Transformation 2uuss024004000RRnnennnnnnnnennnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnennnnnn 81 Gl 4 10 Umwandlung der Fourier Koeffizienten in die Polardarstellung 222200002222 200 81 XV 1 Bioelektromagnetismus und Elektrophysiologie Die wissenschaftliche Disziplin des Bioelektromagnetismus besch ftigt sich mit den elektrischen und elektromagnetischen Eigenschaften lebender Gewebe Diese Ei genschaften sind insbesondere f r die Medizin von gro er Wichtigkeit da die bio elektrischen Ph nomene an der Zellmembran f r die Aufrecherhaltung der Vitalfunk tionen essentiell sind Die Weiterleitung von elektrischen Impulsen entlang von Ner venzellen ist eine Voraussetzung f r die Wahrnehmung von Sinneseindr cken das Zusammenspiel der K rperfunktionen und f r die Aufrechterhaltung der Hom ostase Die Selbstregulation vitaler Prozesse die Steuerung des hormonellen Systems und die Reaktion auf Umwelteinfl sse sind nur durch den effizienten Austausch chemo elektrischer Information durch das Nervensystem m glich Das theoretische Instrumentarium f r ein Verst ndnis und eine wissenschaftliche Analyse der bioelektrischen Ph nomene bilden die Physik die Chemie und die ma thematischen S tze der Elektrotechnik Viele Erkenntnisse ber chemische und e lektro
169. er die se rielle Schnittstelle erfolgen GRIO3 3 3 1 3 Spezifikationen des Modular EEG Aufl sung Wei es Rauschen 1 uVpp 70 mA 2 Kan le Isolationsspannung Spitze 2 500V 1 Minute Isolationsspannung kontinuierlich 480 V Betriebsspannung 9 15V Tabelle 3 9 ModularEEG technische Spezifikationen HANO3 Das ModularEEG kann nicht als medizinisches Ger t zertifiziert werden da die kon tinuierliche Isolationsspannung zu niedrig ist siehe 3 1 7 Patientenschutzma nah men Ein Blitzschlag direkt in das Ger t w rde vermutlich die Isolationsbarriere durchbrechen Das Ger t muss daher auf eigene Verantwortung unter Bedachtnah me auf gr tm gliche Sicherheit angewendet werden Durch die Verwendung eines akkubetriebenen Laptop Computers und Batteriebetrieb des ModularEEG kann das Sicherheitsrisiko auf ein Minimum reduziert werden GRIO3 66 3 3 2 Der MonolithEEG Verst rker Das MonolithEEG ist ein kleiner leichter 2 Kanal EEG Verst rker der von Reiner M nch 2005 entwickelt wurde MUEOS Das Design orientiert sich prinzipiell am Mo dularEEG bietet jedoch einige Anderungen und Verbesserungen Durch die Ver wendung des SMD Fertigungsprozesses konnten Gr e und Gewicht signifikant reduziert werden die analogen und digita len Komponenten finden somit auf einer Platine Platz die doppelseitig best ckt ist Die geringeren Signalwege und die Ver wendung geringf gig steilerer Filter be wirkt ein
170. er exzessiven Verengung der Blutgef e Vasokonstriktion gefolgt von einer starken Erweiterung Vasodilatation kommen die von Entz ndungsreaktionen und einer Sensibilisierung der Schmerzrezeptoren in den Gef w nden begleitet wird HEUO0OA Chronische Spannungskopfschmerzen und Migr ne unterschieden sich auch in der Art des Auftretens konstant bzw anfallsartig und in der Intensit t leicht bis mittel bzw schwer Bei der Biofeedbackbehandlung wird versucht m glichst nahe an den schmerzerzeugenden physiologischen Vorg ngen anzusetzen M frontalis M trapezius 5 mittlerer Teil des IRF e M trapezius a s Ml masseter 3 oberer Teil des Abb 2 22 Ableitungspunkte f r das EMG der Gesichts und Nackenmuskulatur Bei Spannungskopfschmerz wird mit EMG Feedback versucht die Anspannung der Kiefer und Nackenmuskulatur sowie der Stirnmuskulatur zu senken Geeignete Ab leitungspunkte sind der Kiefermuskel M masseter der Stirnmuskel M frontalis und die Schulter und Nackenmuskulatur M trapezius Zur Erfassung des vegetati ven Nervensystems werden die elektrodermale Aktivit t und die Fingertemperatur abgeleitet Nach einer Entspannungsphase und dem Messen der Normalaktivit t Baseline wird ein Stresstest z B durch Rechenaufgaben und emotionale Fragen und eine anschlie ende Ruhephase durchgef hrt HEUOOA Die Auswertung zeigt mit welchen K rpersystemen die Person besonders stark reagi
171. era Element eine Gesichtsdetektion durch Wird ein Gesicht erkannt werden die Positionen von Nase und Kinn gesch tzt Die aktuellen Bewegungen von Nase und Kinn k nnen an den Output Ports des Elements als relative Werte zum vorigen Kamerabild ausgele sen werden Durch geeignete Filter und Skalierungsvorg nge im weiteren Verlauf der Signalverarbeitung dienen sie als Eingabewerte f r das Mouse Coniroller Ele ment und k nnen so zur Steuerung des Maus Cursors und f r Klick Operationen verwendet werden Das Camera Element erlaubt somit die Herstellung universeller Konfigurationen f r einen Betrieb der Computermaus durch Kopfbewegungen De tails dazu siehe Anwendungsbeispiel Kamera Maus 8 5 7 6 1 7 Das Skindialog Element Das Skindialog Element erm glicht die Einbindung eines grafischen Freiform Benut zerdialogs skinned Dialog Window Der Dialog wird aufgrund einer Bitmap Datei erstellt die nicht unbedingt viereckig sein muss da durch eine Maske die Durchsich tigen Bereiche des Dialogs angegeben werden Als funktionale Komponenten k n nen Schaltfl chen und Schieberegler sowie Textfelder verwendet werden Die aktuel len Werte der Schieberegler und Schaltfl chen werden an den Output Ports des E lements ausgegeben So k nnen spezielle zB sehr kleine oder runde Benutzerdia logfenster f r die Steuerung relevanter Einstellungen einer komplexen Konfiguration erzeugt werden ETRE Die Ressourcendateien f r den Dialoghintergrun
172. erade bei Personen die viel Zeit im Bett verbringen m ssen kann das Biofeedback durch ein Monitoring der ausgef hrten Bewegungsleistung die Motivation zum Trai nieren verst rken Keinesfalls kann eine konventionelle Physiotherapie mit gef hrten und aktiven Bewegungen durch ein Biofeedbacksystem ersetzt werden 9 4 Evaluation der Kamera Maus Konfiguration Die Kamera Maus Konfiguration siehe 8 5 wurde durch zwei m nnliche Testperso nen A und C im Alter von 38 bzw 32 Jahren evaluiert A leidet nach einem Motor radunfall vor 19 Jahren an einer Querschnittl hmung ab dem sechsten Halswirbel kann also nur seinen Kopf kontrolliert bewegen Er verwendet h ufig einen Computer zur Kommunikation sowie zur Unterhaltung und setzt eine Sprachsteuerung zur Um gebungskontrolle ein A nutzt seinen Computer meist mittels Mundstab und hat eine erstaunliche Genauigkeit und Geschwindigkeit mit diesem Eingabehilfsmittel erreicht F r A ist das Kamera Maus System neu allerdings kennt er die IR gesteuerte Ori gin Headmouse die er aber nicht verwendet da zwar die Cursorsteuerung durch Kopfbewegungen damit m glich ist er aber keine geeignete und f r ihn angenehme M glichkeit zur Ausl sung von Mausklicks in Verbindung mit diesem Ger t gefunden hat Die 2000 teure Headmouse liegt seither unbenutzt im Kasten C hat schon ausgiebig mit dem Kamera Maus System trainiert w hrend A nur 10 min Trainings zeit bis zur Evaluation der Ergebnisse hatte
173. erapie erfolg CUNOO Der Aufbau und die Funktion des Schlie muskelapparates f r die Stuhlkontinenz weist deutliche Parallelen zu dem der Blase auf auch hier spielt der Beckenboden eine bedeutsame Rolle und die Mechanismen von Entleerung und Schlie ung wer den durch ein System von autonomen und willk rlich gesteuerten Muskelgruppen reguliert Der innere Sphinkter Musculus sphincter ani internus ist ein autonom ge steuerter glatter Ringmuskel der f r den Verschluss des Darmes zust ndig ist un terst tzt durch den M puborectalis der Teil des Beckenbodens ist F llt sich das Rektum durch die Peristaltik des Dickdarmes erschlafft der innere Sphinkter und der u ere Sphinkter M sphincter externus sowie der Beckenboden kontrahieren re flektorisch Kontinenzreaktion Diese Muskelgruppen k nnen zur Darmentleerung willk rlich gesteuert werden Das Biofeedback kann hier vor allem bei verminderter N Willk ranspannung bei herabgesetzter Sensibilit t des N Rektums und zur Koordination von Kontraktion und Bauchdeckenanspannung eingesetzt werden Als Senso rium eignen sich Ballonkatheter und EMG Sonden Bei etwa 80 der Patienten und Patientinnen l sst sich durch das Biofeedbacktraining die Fr hzeitigkeit der Wahrnehmung die Schnelligkeit der Reaktion sowie die Abb 2 24 EMG Sonde f r das Kraft und Dauer der Sphinkteranspannung verbessern PRO AS CUNOO 35 2 3 7 Biofeedback bei Neurologischen Erkrankungen
174. erarbeitungskonfigurationen 92 5 2 1 1 SJ9NalQUellEN anal 92 9 2 1 2 Verarbeil ngselemenlers una een elle 93 9 2 153 919N l SENKEN na nenn einen 93 5 2 2 Strukturen f r die Verwendung der Konfigurationselemente 93 5 2 3 Interne Organisation der Konfigurationselemente 02220022000 93 5 3 Konzepte f r den operativen Ablauf der Signalverarbeitung 94 5 3 1 M glichkeiten f r das Zeitmanagement u222002200222002nnennnnnenn nennen 94 5 3 2 Strategien f r zeitkritische System und Rechenaufgaben 94 5 4 Objektorientiertes Design 2 2022002220220000n0 nenn nenn nenn nenn ennennnenn 95 5 4 1 Beziehung der Elementklassen zur Basisklasse u22u0220022002n0 ernennen 96 5 5 Gemeinsame Methoden f r die Objektklassen 97 5 6 Konzepte f r das User Interface uu444u4444nennnn anne nennen 97 6 Implementierung der BrainBay Software u nuuenseeenenenn 98 6 1 Systemvoraussetzungen und Entwicklungsumgebung 98 6 2 verwendele BIDIIOMEeKeN senken 99 B 2 1 stallsche Bibliotheken ze en ni 99 6 2 1 1 Standardbibliotheken Teil der Visual Studio Umgebung 444sssnensenennnn 99 6 2 1 2 Open source Bibliotheken ae 99 6 2 1 3 kommerzielle Bibliotheken f r die Matlab Unterst tzung 24u000404nne nennen 100 6 2 2 Laufzeitbibliotheken Dyna
175. erausheben bestimmter Signaleigen schaften oder durch die Transformation in geeignete Darstellungsformen m glich Dies sind die Dom nen der digitalen Signalverarbeitung die solche Methoden durch Softwarealgorithmen zur Verf gung stellt und eine mathematisch theoretische Basis zur Signalanalyse in digitalen Computern bietet 4 1 Lineare Systeme Ein System ist ein Prozess der aus einem Eingabesignal ein Ausgabesignal produ ziert Man unterscheidet kontinuierliche und diskrete Systeme Die digitale Verarbei tung von Daten kann durch diskrete Systeme beschrieben werden Lineare Systeme erf llen die Kriterien der Homogenit t und Addltivit t Homogenit t bedeutet dass eine nderung der Amplitude im Eingangssignale an das Ausgangssignal in gleicher St rke weitergegeben wird xIn yin gt kx fn kyfn GI 4 1 79 Adaditivit t ist die Eigenschaft dass ein System aus der Summe von Inputsignalen auch die Summe ihrer Outputsignale erzeugt xaylin I y nl in nA yn yin GI 4 2 Lineare Systeme sind verschiebungsinvariant wenn ihre Eigenschaften zeitlich kon stant bleiben Eine besondere Eigenschaft linearer Systeme ist dass harmonische Sinus Schwingungen am Eingang auch harmonische Schwingungen am Ausgang erzeugen Eine Anderung von Frequenz oder Amplitude wird an das Ausgangssignal entsprechend weitergegeben Die Hintereinanderschaltung von linearen Subsyste men ist kommutativ und erzeugt wieder ein linea
176. erkennung In diesem Bereich hat es in den letzten Jahren intensive Forschungen und Entwicklungen gegeben hier kann nur ein kleiner berblick ber einige Techniken gegeben werden 4 6 4 1 Template Matching Beim Template Matching wird ein Vergleich von Bildintensit tswerten mit einer Vor lage durchgef hrt Meist wird ein kleiner Bildausschnitt mit dem gew nschten Merk mal ber das Bild bewegt und die Korrelation mit dem Bildinhalt berechnet Anhand des Ergebnisses wird entschieden ob das Merkmal im Bild vorhanden ist 4 6 4 2 Haar Classifier Bei der Klassifikation mittels Haar Features wird ein Bild durch die bereinstimmun gen mit einer Reihe von einfachen Merkmalen weak classifiers analysiert welche bestimmte Eigenschaften hervorheben siehe Abb 4 10 Diese Muster werden in verschie denen Skalierungsstufen und Positionen mit 3 dem Bild korreliert und entsprechend den E N m Vorgaben durch ein Trainingsset von Bildern Linien gewichtet Dadurch reagieren die einzelnen r Elemente auf verschiedene Eigenschaften an X des Bildes die f r eine Erkennung der rele vanten Form wichtig sind Durch den Vor Abb 4 10 Einzelne Merkmale eines Haar Classifiers gang des boosting werden die vielen einzel nen Ergebnisse in einer gewichteten Summe zu einem stabilen Klassifikator zusam mengef hrt Durch die Kaskadierung mehrere Stufen Haar classifier cascade k n nen sehr unwahrscheinliche F lle fr h ausgesc
177. erschiedli cher Frequenz und Amplitude zerlegt Diese Wellen sind die orthogonalen Basis funktionen der DFT C cos 2rki N k jeweilige Basisfunktion 0 N 2 5 2 sin 2rki N i Index des Samples 0 N 1 Gl 4 7 Damit sind konstante Signalanteile durch Co und Schwingungen bis zur halben Sampling Frequenz cn darstellbar Die Amplituden der jeweiligen Basisfunktionen werden durch Koeffizienten bestimmt diese sind die Informationstr ger des Fre qauenzgehaltes Aus Gr nden der Konsistenz mit der komplexen Fourier Transforma tion hei en die Koeffizienten der Cosinuswellen Realteil Refk und die Koeffizienten der Sinuswellen magin rteil Im k SMIO1 Amplitude Amplitude g 16 32 48 54 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 Frequenz als Nummer der Basisfunktion Frequenz als Bruchteil der Samplerate Abb 4 6 Die Darstellung eines Signales im Frequenzbereich durch die Diskrete Fourier Transformation Die Abbildung zeigt die Zerlegung eines Signals x mit einer L nge von 128 Sam ples in 2 x 65 harmonische Basisfunktionen mit den Cosinus Koeffizienten Re X und den Sinus Koeffizienten Im X J 80 Bei der Durchf hrung der DFT Analyse werden die Koeffizienten durch Korrelation des Signals mit den Basisfunktionen ermittelt SMIO1 Re X k xlilcos 2rki N k jeweilige Basisfunktion 0 N 2 pe i Index des Samples 0 N 1 N1 x i Signal im Zeitbereich GI 4 8 Im X k gt xli
178. erst rker ver bunden ist Diese dienen als Impedanzwandler Puffer die Eingangsimpedanzen sind dadurch gleich gro und erreichen sehr hohe Werte was wichtig ist um das Signal nicht durch die Weiterverarbeitung zu belasten und dadurch zu verf lschen Durch eine besondere Verschachtelung der R ckkopplungswiderst nde wird er reicht dass bereits die Eingangspuffer Gegentaktsignale um einen Faktor gr er eins verst rken aber Gleichtaktsignale unverst rkt bleiben Der nachfolgende Diffe renzverst rker eliminiert den Gleichtaktanteil nahezu vollst ndig wobei der Gegen taktanteil weiter verst rkt wird LIS05 Dadurch l sst sich eine CMR von 80 120 dB erreichen siehe 3 1 3 1 Weitere Kenngr en von Instrumentenverst rkern sind die maximale Offset Spannung am Eingang Uos die maximale Ruhestromaufnahme quiescent current loc der Eingang Bias Strom Isas sowie der Versorgungsspan nungsbereich und das eingangsbezogene Spannungsrauschen F r eine genauere Erkl rung dieser Parameter sei auf weiterf hrende Literatur bzw auf die Datenbl tter von konkreten Modellen verwiesen KUP05 3 1 5 Filterung und Digitalisierung Bei der Digitalisierung wird das analoge Signal abgetastet und diskretisiert Aufl sung und Abtastfrequenz Samplerate definieren die Qualit t der Digitalisierung wobei im Vergleich zum analogen Ausgangssignal immer Information verloren geht Die Aufl sung Quantisierung bestimmt die unterscheidbaren Wer
179. ert hat und wie die Entspannungsphase gelang Daraus kann das Vorgehen f r die weiteren Biofeed backsitzungen abgeleitet werden Zur Behandlung von Migr ne mittels Biofeedback werden neben dem EMG Feedback zur Minderung von Verspannungen bevorzugt das Temperatur Biofeedback Handerw rmungstraining zur Steigerung der peripheren Durchblutung und das Vasokonstriktionstraining eingesetzt Beim Vasokonstriktionstraining wird der Blutfluss genauer die Blutvolumenamplitu de blood volume pressure BVP in der Schl fenarterie durch Infrarot Photoplethysmographie gemessen Hierdurch lernt die Person den Dehnungszu stand der Blutgef e willk rlich zu beeinflussen und eine Verengung oder Erweite rung der Schl fenarterie herbeizuf hren um vor oder w hrend eines Anfalls gegen steuern zu k nnen Bei etwa 60 der Patienten und Patientinnen l sst sich dadurch eine Reduktion der Migr neanf lle um 50 erreichen HEUO00a S1 2 3 3 Biofeedback bei Hypertonie Unter Bluthochdruck Hypertonie leiden 15 bis 20 aller Erwachsenen in den In dustrienationen an den Folgen der Hypertonie sterben dreimal mehr Menschen als an Krebs MAROO Erbliche Belastung ethnische Zugeh rigkeit bergewicht Per s nlichkeitsmerkmale und Stress stellen die wichtigsten Risikofaktoren f r die Ent stehung einer essentiellen Hypertonie dar Bei fortgeschrittener Hypertonie treten Organver nderungen wie eine Herzvergr erung Hypertrophie Sch dig
180. erufen mit Samplefrequenz virtual vord updatezinports void L wird aufgerufen bei einer nderung der Input Verbindungen virtual void sessicoh start void 7 Start der Session virtual void session_stop void Stoppen der Session virtual void session reset void 1 7 Reset der Session virtual void session_pos long pos beim Positionieren auf einen bestimmten Zeitpunkt im Archiv virtual Long session length void 1 zur Ermittlung der L nge des Archivs virtual void make d alog vo01d 1 Anzeige des Benutzerdialogs virtual void load HANDLE hFile Laden der Elementparamter aus der Konfigurationsdatei virtual void save HANDLE hFile Speichern der akt Elementparameter in Konfigurationsdatei virtual void incoming_data int port float value Wert values ErIFFE am Eingangsport port gt ein void pass_values int port float value Wert lt value gt wird an die mit lt port gt verbundenen Elemente weitergeleitet 103 6 5 Quellcode Module Die folgenden Quellcode und Header Dateien stellen n tzliche Funktionen Variab len und Strukturen f r die Signal und Dateiverwaltung die Kontrolle der Seriellen Schnittstelle und Interaktion mit den Benutzerdialogen zur Verf gung Durch die De klaration in der gemeinsamen Header Datei brainbay h sind diese Funktionen und Speicherbereiche f r alle Elementklassen und Programmmodule zug nglich Sie die nen somit auch als Umgeb
181. erwendenden Objektklassen Der Name der Applikation BrainBay versinnbildlicht eine virtuelle Verl ngerung des zentralen Nervensystems Das Pro gramm dient als eine frei konfigurierbare Schnittstelle f r die Interpretation der ge messenen Biosignale Grunds tzliches Ziel dieser Software ist die Erhebung Trans formation und Verwertung von Biosignalen unterschiedlichen Ursprungs visuelle Information Webcam andere bioelektrische Signale Sensor Daten N Hardware amp Software System 4 Ger te Optoakustische Steuerung Information Biofeedback Mausersatz Cursor Kontrolle Abb 5 1 Funktion und prinzipieller Aufbau des geplanten Datenverarbeitungssystems 5 1 Anforderungskatalog Die erw nschten Eigenschaften und Anforderungen an eine universelle Applikation zur Verarbeitung von Biosignalen mit Anwendungsm glichkeiten als Human Compu ter Interface lassen sich wie folgt zusammenfassen e kosteng nstige Realisierbarkeit und Reproduzierbarkeit des Gesamtsystems e Verwendung freier Softwarebibliotheken e Anwendbarkeit einer weitl ufig verf gbaren Entwicklungsumgebung e Kompatibilit t mit Verst rkermodellen des OpenEEG Projektes ModularEEG MonolithEEG e Vermeidung lizenzierter Quellcode Fragmente e Ver ffentlichung des gesamten Quellcodes als Public Domain GNU Lizenz 90 e Adaptierbarkeit und intuitive Verwendbarkeit e M glichkeit zur individuellen Konfiguration der Signalverarbeitung e
182. es cvHaarDetectObjects frame_copy cascade storage Taly CV HAAR DO CANNY PRUNING p EvSizet70 70 35 Ausf hrung der Klassifikation Nach der Ausf hrung von cvHaarDetectObjects sind die Positionen erkannter Ge sichter als umrandende Rechtecke im Array faces gespeichert Nachdem die Haar Klassifizierung zu rechenaufw ndig f r eine schnelle Echtzeitauswertung ist werden Bewegungen mit Hilfe des Lucas Kanade Optical Flow Algorithmus detektiert siehe 4 6 4 3 Der Aufruf der OpenCV Funktion cvCalcOpticalFlowPyrLK prev_grey grey prev_pyramid pyramid BPo1LnLS LOr POINTS IIl Count Size 3y SLatus U SvLermlreiter131CV TERMERTT TTER CV TERMERTIT EP5 20 0203 271393 Durch die Arrays points 0 bzw points 1 werden die Positionen der Featurepunkte im vorigen Grauwertbild prev_grey angegeben bzw die neu ermittelten Positionen der Punkte im aktuellen Bild grey zur ckgeliefert OPCO6 6 9 2 Initialisierung der Gesichtsposition Sobald ein Gesicht durch die Haar Klassifikation detektiert werden konnte werden die Positionen der Nase und des Kinns gesch tzt Die Nase eignet sich f r eine intui tive Steuerung des Interface und sie ist auch als Tracking Merkmal gut unterscheid bar GOR02 120 Das Kinn ist eine gute Position um willk rliche Bewegungen abzunehmen die zur Ausl sung von Klicks einsetzbar sind Die Initialisierungsphase ist abgeschlossen wenn die Koordinaten f r Nase und Kinn in zul ssigen Be
183. esamte Verst r kungsfaktor f r das Originalsignal betr gt 1 152 bis 19 200 Ingram entation Angpliier 59Hz lowpass filter amplifier Card order Electrodes F rotection circuit can 12 Gain 40 Zain 16 e Output to er microcortroller GHD common mode sanal tom input positive input negative inputi 2 The CM signal mom several channels can be veraged q Rightleg driver reduces comm anAnmode noise by cancelling it oat HE Abb 3 18 Blockdiagramm der ModularEEG Verst rkerstufen und DRL Schaltung 3 3 1 2 Die Hauptplatine des ModularEEG das Digital Board Im Wesentlichen beinhaltet die Digitalplatine Komponenten f r die Herstellung einer geregelten galvanisch getrennten Betriebsspannung weiters Komponenten zur Er zeugung der Referenzspannung f r die Verst rkung einen Mikrocontroller und eine Ubertragungseinheit f r den Datenaustausch mit dem PC Die galvanische Trennung dient als Patentenschutzma nahme und wird durch einen DC DC Konverter TMVO505 bzw Optokoppler f r die Datenleitungen gew hrleistet Die Isolations spannung des Konverters betr gt 3 000V Spitze bzw 1 000V kontinuierlich Der Mikrocontroller vom Typ Atmel AVR ATmega f hrt die Digitalisierung der verst rk ten Signale und die Daten bertragung durch Der ATmega ist ein 8 Bit RISC Prozessor mit sechs internen A D Wandlern 10 bzw 8 Bit einer Ausgabem glich 65 keit f r pulsweitenmodulierte Signale PWM Outpuft und eine
184. essbereich besitzen Das EEG findet im Bereich der Medizin viele Anwendungen In der Diagnostik k n nen verschiedene Formen der Epilepsie durch die Charakteristik der Anfalls und Ruhe EEGs unterschieden werden ikterale und interikterale Spikes Alzheimer Hirntumore oder neuronale Disfunktionen k nnen oft im EEG erkannt werden Kogni tionswissenschaft und Physiologie verwenden das EEG zur funktionalen Zuordnung mentaler F higkeiten und zur Erforschung des Ablaufes neuronaler Aktivierungen In der Pharmazeutik dient das EEG zur Verifikation von Wirkstoffen in der Schlafanaly se zur Schlafstadien Klassifikation und in der An sthesie zur Kontrolle des Narkose verlaufs In der Rehabilitations und Kommunikationstechnik findet das EEG in Brain Computer Interfaces Anwendung BCI siehe Kapitel 2 5 29 Ein entscheidender Vorteil der EEG Ableitung ist die hohe zeitliche Aufl sung Po tenzial nderungen im Bereich von Millisekunden k nnen durch das EEG problemlos gemessen werden Diese zeitliche Genauigkeit kann derzeit von Systemen mit bes serer r umlicher Aufl sung wie fMRI oder PET nicht erreicht werden Bei intracranialen EEG Ableitungen werden die Potenziale nicht von der Kopfhaut sondern durch einen operativen Eingriff von tieferen Schichten abgenommen Man unterscheidet hier verschiedene Arten Bei der subduralen Ableitung werden die Elektroden unter der Kopfhaut aber au erhalb des Sch delknochens angebracht Beim Elektro
185. estudien belegt bei manchen Krankheitsbildern z B Migr ne oder Inkontinenz z hlt Biofeedback zu den erfolgreichsten Behandlungsm glichkeiten Zu den durch Biofeedback beeinflussbaren K rperfunktionen z hlen Muskelaktivit t Herzrate Blutdruck Schwei dr senaktivit t als allgemeines Ma der autonomen Erregung Haut und K rpertemperatur elektrophysiologische Prozesse des Ge hirns periphere Durchblutung Durchmesser von Blutgef en und Atemfunktionen 29 2 3 1 Biofeedback bei chronischen R ckenschmerzen Chronische R ckenschmerzen geh ren zu den h ufigsten Schmerzerkrankungen und rangieren als Ursache f r Arbeitsunf higkei ten an zweiter Stelle aller Krankheitsgruppen E Hals HEU00 Die zervikalen Halswirbels ule 07 Ba wirbels ule l S Th1 HWS und umbosakralen Lendenwirbels ule Re m trapezius gionen der Wirbels ule sind am h ufigsten Tn6 von Schmerzen betroffen W hrend die Be Th9 Brust wirbels ule BWS schwerden bei den meisten ca 90 der Ta BER Betroffenen nur von kurzer Dauer sind chro wibasiuib nifizieren die Beschwerden bei ca 10 der 4 5 i LWS Betroffenen und stellen eine massive Beein tr chtigung der Lebensqualit t dar H ufig sind degenerative oder funktionelle Ver nde rungen im Bereich der Bandscheibe der ner kleinen Wirbelgelenke oder im Halte und St tzapparat also in den Muskeln und B n dern die Ursache der
186. ete Informationen f r eine Mauszeigersteuerung per Kopf aus den Kamerabildern zu extrahieren Die Ver nderung der Kopfposition kann dadurch festgestellt und zur Steuerung der x y Beschleunigung des Zeigers verwendet werden Zus tzliche Informationen wie die Erkennung von Bewegungen der Augenbrauen oder des Kinns k nnen zur Verwen dung der Klick Funktionen dienen Die aktuell ermittelten Koordinaten werden als Ausgabewerte des Camera Elementes in der Konfiguration zur Verf gung gestellt Detektion und Tracking werden in separaten Schritten durchgef hrt 6 9 1 Verwendete OpenCV Funktionen Eine relativ einfache Realisierung der Gesichterkennung und Bewegungsdetektion ist durch Funktionen der Open Computer Vision Library von Intel m glich BAR00 OPCO6 Diese bietet ein reichhaltiges Set von Funktionen zur Abfrage ei ner Kamera und zur Bildverarbeitung Zu den geeigneten Strategien f r eine Ge sichtserkennung z hlt die Kaskade von Haar hnlichen Merkmalsextraktoren Haar Classifier siehe 4 6 4 2 In der Distribution der OpenCV Library befindet sich auch ein Demoprogramm f r eine Gesichterkennung mittels Haar Klassifikation und eine XML Datei mit trainierten Gesichtern Frontalansicht ist verf gbar capture cvCaptureFromCAM 0 ffnen der Kameraverbindung frame cvQueryFrame capture Abfrage des aktuellen Frame cascade CvHaarclassifierCascade cvLoad fname 0 0 9 Importieren der Haar Trainingsdatei fac
187. ewegungen beim Reden oft f lschlich als Klick Kommandos interpretiert wurden Eine einfache Zu und Abschaltbarkeit der Klick funktion sowie f nf Presets f r verschiedene Sensitivit ten w ren hier sinnvolle Er weiterungen Schreiben mit SAW und der KAMERA MAUS Testperson C Testperson A 10 Minuten Zeichen gesamt 337 250 falsch ausgew hlt 7 15 Feld verfehlt 2 5 Zeichen pro Minute 32 8 23 Tabelle 9 1 Ergebnisse f r das Schreiben mit der Kamera Maus unter Verwendung von SAW 177 9 4 2 Test der Genauigkeit Das Spiel Minesweeper Das Spiel Minesweeper ist ein aussagekr ftiger Test f r ein Mausersatz System da die Selektionsfl chen des Spiels sehr klein und unmittelbar nebeneinander ange ordnet sind Obwohl A kaum Trainingsm glichkeiten mit dem System hatte war die Kontrolle ber die Mausfunktion berraschend gut und er konnte das Spiel schon beim ersten Versuch prinzipiell nutzen Eine Erh hung der Genauigkeit bei entsprechender Verminderung der Beschleuni gung resultierte in einer h heren r umlichen Aufl sung und geringerem Zittern des Zeigers sodass die Verwendbarkeit des Spieles weiter verbessert wurde und bei der Evaluation gute Trefferquoten trotz der kleinen Schaltfl chen erzielt werden konnten KAMERA MOUSE Spiel Minesweeper Testperson C Testperson A Klicks gesamt 125 100 Zeit 5 min 5 min verfehlte Felder 10 17 korrekte Treffen 92 87 Tabelle 9 2 Ergebnisse von Minesweeper mit der Ka
188. freqg Eine Sekunde vergangen gt aktualisiere Packetspersecond TIMING timestamp TIMING pcfreq TIMING actpps int TIMING ppscounter TIMING ppscounter 0 if pc TIMING readtimestamp gt TTY packettime Lesen von Archivdatei und Sampleintervall erreicht gt neues Paket lesen 17 TIMING readtimestamp TTY packettime if CAPTFILE do_read read_captfile TTY amount_to_read ParseLocallnput TIY amount_to_read return process_packets Aufruf aller work Methoden 6 8 Verarbeitung der Daten vom Biosignalverst rker Die Kommunikation mit der Verst rkerhardware MonolithEEG oder ModularEEG erfolgt ber die serielle Schnittstelle Dies kann eine Standard RS232 Verbindung oder ein virtueller Com Port VCP sein der durch einen USB Adapter oder wie beim MonolithEEG durch die Treibersoftware eines USB Chips erzeugt wird Die Lese Operationen werden in einem eigenen Lese Thread durchgef hrt Die Funktion SetupCommPort initialisiert die Schnittstelle und die erzeugt den Lese Thread BOOL Setupl mmPort int port DWORD dwReadStatld DEB ACH 05 f aww gt JA Variablen vorbereiten TTY COMDEV CreateFile PORTNAME GENERIC_READ GENERIC_WRITE 0 0 0PEN_EXISTING FILE_ATTRIBUTE_NORMAL FILE_FLAG_OVERLAPPED 0O if TTY COMDEV INVALID_HANDLE_VALURE goto failed DCB Settings f r Handshake und Timeouts setzen LE SetCommState TTY COMDEV amp dcb goto fai
189. g der Spektralanalyse Mustererkennung in Signalen oder Steuerung von Multimedia Ausgaben in Echtzeit durchgef hrt werden 172 e Offenheit des Laufzeitsystems Interoperabilit t Durch die EDF und File Writer Elementen besteht die M glichkeit Dateien im EDF oder CSV Format zu importieren bzw zu exportieren Durch das TCP Element wird das Senden und Empfangen von Biosignaldaten ber Netzwerk Lan Verbindung erm glicht Somit besteht die Funktionalit t f r Anwendungen im Bereich Telemetrie und Monitoring e Verwendbarkeit als Biofeedback Software zur Muskelrehabilitation Die Extraktion und Skalierung gew nschter physiologischer Parameter aus der Biosignalmessung ist durch die freie Kombinierbarkeit der Verarbeitungs elemente m glich Optoaktustische Ausgabem glichkeiten f r das Biofeed back sind durch die Elemente Midi SoundPlayer MediaPlayer Counter Threshold Meter ParticleSystem und Ballgame gegeben e Anwendbarkeit als Human Computer Interface Die Kombination des Mouse Controller Elementes mit anderen Verarbei tungselementen erlaubt eine Steuerung des Mauszeigers und eine Ausl sung von Mausklicks aufgrund von Muskelkontraktionen Sensorwerten oder Kopf bewegungen Es besteht die M glichkeit die Software automatisch beim Star ten des Computers aufzurufen bzw im Hintergrund auszuf hren sodass die Mauskontrolle zur Verwendung anderer Software wie einer Bildschirmtastatur oder einer Umgebungssteuerung eingese
190. g der grafischen Benutzeroberfl che f r das Parameterfenster des neuen Elements wird der Resource krainBay Ressourcen a Editor von VisualStudio verwendet Ein leeres Dialogfenster a Dial wird durch einen Klick mit der rechten Maustaste auf den Dialog Eintrag der Ressourcenliste und die Auswahl von Dialog einf gen erzeugt Der Standardname IDD_DIALOGT kann durch Doppelklick auf das Dialogfens ter in IDD_DEMOBOX umbenannt werden Dieser Bezeich ner wird sp ter zur Erzeugung des Dialogfensters bei Lauf zeit ben tigt Die Stil Einstellungen des Dialogfensters werden wie folgt gew hlt Uberlappend D nn Absolute Posi en tion Modales Fenster Statische Kante Im Vordergrund aai Deuc bleiben Die Standard Schaltfl chen OK und Abbrechen 00 Eor WRITERBOx werden gel scht Der Dialog erh lt die Titelbezeichnung ee Demodialog Nun werden die Interaktionskomponenten hin s gt zugef gt f r dieses Beispiel sind dies ein Text Feld ein amp ktassen i JResoucen E Dateien Schieberegler eine Auswahlbox eine Schaltfl che und stati Abb 6 4 Ressourcen Editor sche Texte zur Beschriftung Alle Komponenten erhalten eindeutige Bezeichner in Form von Konstanten IDC_ lt idname gt Die Namen dieser Konstanten werden zur leichten Zuordenbarkeit umbenannt auf IDC_EDIT IDC_SCROLLBAR IDC_COMBO und IDC_BUTTON brainBay rc speichern Einf gen N Importieren Gedockte Ansicht 5 Ausblenden Eigenschaften
191. g einer Muskelkontraktion als 3D Fourier Analyse uuus0220200uenneenennno 167 Abb 8 12 Laufendes Muskeltraining Z hlen und Aufsummieren der Kontraktionen 168 Abb 8 13 Schaltkontakt zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit uss0240444000Bnnennnn nennen 168 Abb 8 14 Konfiguration zur Steuerung eines Filmes durch die Aktivit t am Schaltkontakt 169 Abb 8 15 Die Konfiguration im Einsatz eine berlandfahrt ausgef hrt im Wohnzimmer 169 Abb 8 16 Design Konfiguration f r die Kamera Maus uuss220200000020ennnnnnnnennnnnnnnennnnnnnnnennnnn 170 Abb 8 17 Test der Kamera Maus mit dem Spiel Minesweeper us 0240000200nnnnennnnennnnee nennen 171 Abb 9 1 Verwendung von Switch Access for Windows mit der Kamera Maus 177 Abb A 1 Die BrainBay Homepage erreichbar unter http brainbay lo res orQ 22uu0enn0n no 180 Abb A 2 Geographischer Ursprung der Zugriffe auf diie Homepage uuusssnnnennnnnneennnnnnnnen 181 AbB A 3 Zugiffsstatistik Hach Landen ers ae ee 181 Tabellen Tabelle 1 1 Ionenkonzentrationen im Intra und Extrazellul rraum u 2244000424400 Rennen nnennnenennneen 7 Tabelle 1 2 Permeabilit t der Zellmembran f r verschiedene Arten von lonen ussn nennen 7 Tabelle 3 1 Beispiele f r Hardwareanforderungen der IEC Norm 6060 1 1 2 u
192. g oder Augenbewegungen verloren geht sodass BCl Systeme zur einzigen Kommunikationsm glichkeit f r diese Menschen werden Etwa 90 95 Prozent der Betroffenen entscheiden sich im Endstadium der Krankheit gegen eine k nstliche Beatmung wobei die M glichkeit zur Verwendung eines BClI Systems nur wenigen Personen bewusst ist Trotz der enormen Beeintr chtigung beurteilt ein signifikanter Anteil der k nstlich beatmeten ALS Patienen die Lebensqualit t mit zufriedenstel lend oder gut BIROO Die Aufrechterhaltung der Kommunikationsf higkeit durch BCls ist ein wichtiger Beitrag zur Lebensqualit t dieser Menschen Derzeit kommen verschiedene Typen von BUI Systemen zum Einsatz die auf unter schiedlichen psychophysiologischen Konzepten aufbauen Die wichtigsten Arten von Brain Computer Interfaces werden im Folgenden vorgestellt 2 5 1 SCP BCIs Die Ver nderung der langsamen Potenziale slow cortical potenzials SCP siehe 2 1 4 3 kann durch Training willk rlich beeinflusst werden Birbaumer entwickelte 1990 ausgehend von Erfahrungen durch die klinische Praxis mit Bio und Neuro feedback ein Verfahren mithilfe dessen eine Negativierung bzw Positivierung gr e rer Areale des Kortex erlernbar wurde Durch die Auswertung der Signale konnte ein ALS Patient Buchstaben w hlen und einen Brief schreiben BIR00 Das System be kam den Namen Thought Translation Device und wird bis heute weiterentwickelt SCP BCls erlauben meist eine Selektion
193. gebung Microsoft Visual C 6 0 diente zum Editieren der Quelltexte zum Design der Benutzerschnittstelle und zur Unterst tzung des Compi lier und Link Vorganges Ein integrierter Debugger unterst tzt beim Testen und bei der Fehlersuche amp brainBay Microsoft Visual C brainBay rc IDD_OSCIBOX Deutsch Deutschland Dialog Jog Z Datei Bearbeiten Ansicht Einf gen Projekt Erstellen Extras Fenster lS x 3 sug mI D A S Blimer a al z o PREMIT ERE x PSE k IDD_ERPDETECTBOX lA gt Aa abl IDD_EVALBOX Deutsch A o IDD_FFTPROPBOX Deu Drawing Interval gt Bearb Samples x En a E wx ETa Colors Tone m BE IDD_MAGNITUDEBOX I i 2 IDD_MATLABBOX Signal X E Size aj gt show seconds m IDD_MCIPROPBOX M show grid 0 Eg nn IDD_MIDISTREAMBOX Grid _ Captions __ Background M show midline Te E IDD_MIXER4BOX Deuts 1 Ermessen ab 5 Een lt u wv r z gt 83 Klassen Ressourcen E m Konfiguration brainBay Win32 Debug a brainBay exe 0 Fehler 0 Warnungen b Erstellen Debug Suchen in Dateien 1 y Suchen in Dateien 2 y Ergebr 4 Y Bereit A Abb 5 4 Entwicklungsumgebung Microsoft VisualC Dialog Editor Die Projekt Datei brainbay dsw wird von Visual Studio verwaltet und enth lt Informa tionen ber die relevanten Quellcode Dateien cpp Header Dateien h und
194. gnals in die Filterwirkung mit ein Sie werden nicht durch einen Faltungskern sondern durch eine Reihe von Rekursi onskoeffizienten definiert IIR Filter k nnen trotz der theoretisch unendlichen Im pulsantwort in Computern verwendet werden indem ab einer bestimmten Genauig keit gerundet wird Sie erzielen lange Impulsantworten bei geringem Rechenaufwand und eignen sich hnlich den windowed sinc Filtern f r die Separation von Fre qauenzen SMIO1 4 3 3 FFT Convolution Ein Problem bei der Berechnung der Faltung sind die langen Rechenzeiten bei gr Beren Faltungskernen Da die Faltung im Zeitbereich einer Multiplikation im Fre quenzbereich entspricht und durch den FFT Algorithmus eine schnelle Variante zur Berechnung der Fourier Analyse zur Verf gung steht bedeutet die Multiplikation im Frequenzbereich mit anschlie ender R cktransformation einen Geschwindigkeits gewinn wenn der Faltungskern l nger als 64 Werte ist SMIO1 4 4 Korrelation und Autokorrelation Korrelation ist ein Verfahren um ein Ma f r die hnlichkeit zweier Signale zu ge winnen um z B festzustellen ob ein Signal in einem anderen Signal enthalten ist Das mathematische Verfahren ist bis auf einen Unterschied im dem der Faltung iden tisch der Faltungskern wird vorw rts verwendet also nicht vertikal gespiegelt Die Korrelation zwischen zwei Signalen hei t Kreuz Korrelation cross correlation die Korrelation eines Signals mit sich selbst nennt m
195. hFile gt und speichert sie in dem Puffer GLOBAL configbuffer Durch diese Funktion wir ein Parameterblock f r die Einstellungen eines Elementes aus der Konfigurationsdatei gelesen void load_property char desc int type void ad Untersucht den Inhalt der Puffers GLOBAL configbuffer nach dem Auftreten der Zeichenkette lt desc gt die den Namen eines Elementparameters angibt Wird der Name gefunden so wird die nachfolgende Zeichenkette als Wert f r den Parameter interpretiert Der Typ des Parameters ist durch lt type gt be stimmt und kann Integer P_INT Float P_FLOAT oder String P_STRING sein Numerische Werte werden von einer Zeichenkette in den entsprechen den Typ umgewandelt Der erhaltene Wert wird in die Variable lt ad gt gespei chert lt ad gt wird als Zeiger auf den entsprechenden Typ interpretiert Auf die se Weise k nnen die Eigenschaften von Elementen dynamisch nachgeladen werden und neue Elementparameter k nnen hinzugef gt werden ohne die Struktur des Konfigurationsfiles ndern zu m ssen void save_property HANDLE hfFile char desc int type void ad Speichert einen Parameterwert als String Zeichenkette in die Datei lt hFile gt lt desc gt bezeichnet den Namen des Parameters und wird vor dem Wert ge speichert Type selektiert den Parametertyp als Integer P_INT Float P_FLOAT oder String P_STRING lt ad gt ist ein Zeiger auf die Variable die den Wert beinhaltet siehe load_property
196. her As pekte folgt ein berblick auf einige kommerzielle Verst rkermodelle Als kosteng ns tige Alternative wird die OpenEEG Hardware vorgestellt und genauer beschrieben 3 1 Prinzipielles zum Messvorgang Die Messung Ableitung eines bioelektrischen Signals vom menschlichen K rper erfolgt durch geeignete Messf hler die Elektroden Gemessen wird stets eine Po tenzialdifferenz zwischen zwei Punkten Die Elektrode nimmt ein elektrisches Poten zial auf und leitet es weiter zum Messverst rker Ein geeigneter Filter entfernt uner w nschte Frequenzbereiche die St rungen verursachen w rden Dann folgt die Analog Digital Wandlung Digitalisierung sampling Nach der Digitalisierung steht der Messwert zur bertragung und Weiterverarbeitung zur Verf gung NH m Hoa Messwert Ea Messf hler Yerst rker Filter Digitalisierer Abb 3 1 Typische Elemente einer Messkette F r die richtige Konfiguration dieser Messkette ist das Wissen ber die Eigenschaf ten der zu messenden Signale und die Auswirkungen der verwendeten Komponen ten eine wichtige Voraussetzung da das Ergebnis bei ungeeigneter Wahl der Mittel verf lscht wird Die bewusste Wahl der Ableitungsart monopolar oder bipolar siehe 3 1 1 die Vermeidung von St rungen und Artefakten sowie die richtige Dimensionie rung von Filtern und Digitalisiereinheit sind Bedingungen f r die Erhebung aussage kr ftiger Messwerte 3 1 1 Monopolare und bipolare Ableitung Man u
197. hlossen werden und der Algorithmus wird wesentlich beschleunigt BRAO05 Kanten Punkte 4 6 4 3 Lucas Kanade Algorithmus Der Lucas Kanade Algorithmus dient zur Detektion und Verfolgung von Bewegungen in aufeinander folgenden Bildern optical flow algorithm Er basiert auf der Methode des Image Alignment wo die Entsprechung einer Stelle im darauf folgenden Bild ge sucht wird Durch Translation und Skalierung affine Transformationen eines Bild ausschnittes z B 7 x 7 Pixel wird nach einer L sung f r das Minimierungsproblem in der Umgebung der letzten Position gesucht Meist wird daf r die Methode des steilsten Abstieges verwendet steepest descent Das Ziel des LK Algorithmus ist es die Summe der quadrierten Fehler zwischen dem originalen Bildausschnitt und dem projizierten Ausschnitt im neuen Bild zu minimieren Der Algorithmus konver giert gegen ein lokales Optimum und liefert die Koordinaten der neuen Position zu r ck BAK02 84 4 6 4 4 Active Appearence Models Active Shape und Active Appearence Models geh ren zu den modellbasierten Klas sifikationsmethoden f r die Bildanalyse Modelle k nnen auch ber den semanti schen Gehalt eines Bildes eine Aussage treffen etwa die Augen und die Mundpartie eines Gesichtes unterscheiden F r die Modellbildung werden in Trainingsbildern zusammengeh rende Strukturen mit relevanten Informationen versehen labelling of landmarks Bei der Klassifizierung eines neuen Bildes w
198. hte Die Addition zuf lliger Prozesse erzeugt nach dem zentralen Grenzwertsatz eine glockenf rmige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion die Normalverteilung bzw Gau Verteilung die in der Natur bzw auch in der Signalverarbeitung oft anzutreffen ist 4 3 Digitale Filter Allgemein dienen Filter zur Separation kombinierter Signale oder zur Restauration verzerrter Signale Ein Filter kann bestimmte Frequenzbereiche eines Signals aus blenden w hrend andere Frequenzen unver ndert bleiben oder verst rkt werden Je nachdem welcher Frequenzbereich den Filter ungehindert passieren kann spricht man von Tiefpass Hochpass oder Bandpass Filtern Filter k nnen analog mittels Baugruppen von Widerst nden Kondensatoren und Operationsverst rkern herge 75 stellt werden siehe 3 1 5 sie k nnen aber auch digital durch Softwarealgorithmen realisiert werden Die Filter Ordnung Anzahl der Pole bestimmt die Komplexit t und das Verhalten des Filters eine h here Ordnung bewirkt ein genaueres Abscheiden von Frequenzen aber auch eine gr erer Verz gerung im Zeitbereich Man unter scheidet verschiedene Filtertypen die bekanntesten sind Bessel Butterworth und Chebyshev Filter Diese unterscheiden sich durch ihre Charakteristik im Zeit und Frequenzbereich Das Ausblenden von Signalkomponenten jenseits einer gew nsch ten Grenzfrequenz cut off frequency ist niemals exakt m glich je nach Filtercharak teristik weist das D mpfungsverhalt
199. ialog des FFT Elements Filter Name Alpha Bessel Type BandStop Resonator Fiter Order 8 Freg Hz 50 00 14 13 6 232 3228 4 amp 4 520 BB 72 38 004 100 J Abb 8 3 Filterantwort des 50Hz Bandstop Resonators Abb 8 4 3D Darstellung der Frequenzb nder 164 8 2 Herzschlag R ckmeldung aus einer Biosignalaufnahme Die folgende Designkonfiguration extrahiert den Herzschlag aus einer 17 Kanal EDF Aufzeichnung verschiedener Biosignale Elektrokardiogramm und Frequenzkompo nenten der Herzmuskelkontraktion werden dargestellt Zur Detektion des Herzschla ges wird ein dynamischer Schwellwert verwendet der aufgrund der aktuell erhobe nen Signalwerte berechnet wird Akustisches Feedback f r jeden Herzschlag wird durch drei Midi Generatoren erzeugt die Herzfrequenz wird numerisch in einem Fenster dargestellt Time 151 5 sec Status Session paused Archive 0 0 in 1200 0 Goto 3 Abb 8 5 Ausgabefenster der Konfiguration f r das optoakustische EKG Feedback EDF READER THRESHOLD f C NTER A7 AL COUNTER m 2 v Abb 8 6 Elemente der Konfiguration f r das optoakustische EKG Feedback 109 Der Output Port ECG des EDF FileReaders wird mit Anzeige und Verarbei tungselementen verbunden Das erste FFT Element l uft im 3D Modus das zweite im Spektrogramm Modus Beide FFTs ver wenden 32 Bins und ein Berechnungsintervall von 10 Samples Die R Zacke des EKGs wird durch das Threshold Elem
200. icare Pilot Umgebungssteuerung uus2222240000 020n0nnennennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnn nen 39 Abb 2 29 Steuerung eines Flugsimulators mit EMG Signalen u0s02222400000000nnnn ee nnnnnnnee nenn 40 Abb 2 30 EagleEyes Verwendung des Computers mittels EOG 2222222000n0ennnneennnnnnnnnnnnennnnne nenn 40 Abb 2 31 EOG Elektroden und Beschleunigungssensoren in einer Brille 0002222000222 0o 41 Abb 2 32 HeadMouse extreme uus022000uusennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnn 42 ADD 239 Tracker PrO 0er 42 Abb 2 34 Bewegungsverfolgung durch das CameraMouse System uuuusnssnneennennnnnnennnn nennen een 43 Abb 2 35 Augendetektion in Echtzeit mit einer Webcam uss22224000ssnnennnnnennnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 43 Abb 2 36 Tracking der Nase f r die Cursorsteuerung s 2224u00s02nennnneennnnnnnnnennennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nen 44 Abb 2 37 Komponenten und Funktionsweise eines Gaze Tracking Systems 444s40nse nennen 44 Abb 2 38 Schreiben mit dem EyeGaze System uussssssssseneneennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn 45 Abb 2 39 Desynchronisation des Rhythmus bei der Vorstellung einer Bewegung 47 Abb 2 40 Zweidimensionale Auswertung von ERD ERS 222242000022000000Rnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen 47 Abb 2 41 BCI ges
201. ich von et wa 25 35 Grad Celsius f r die Messung der Handtemperatur bei 10 Bit Auf l sung zu erreichen sollte der Wert ber Widerst nde und einen Operartions verst rker auf den Eingangsbereich der A D Ports von O 4 Volt skaliert wer den e Ein Problem bei der Messung der EDA ist die mit 10 Bit zu geringe Aufl sung des A D Wandlers da der Wertebereich f r den Hautwiderstand sehr gro und eine genaue Messung kleiner Abweichungen dennoch wichtig ist Eine preisg nstige M glichkeit w re die Verwendung eines Timer ICs etwa der Reihe 555 der seine Taktgeschwindigkeit durch den Hautleitwert ndert Die Anzahl der Takte pro Sekunde k nnte mit einem digitalen Eingangsport des Mikrokontrollers ermittelt werden Auf diese Weise k nnte durch eine ge ringere zeitliche Aufl sung welche bei der Ermittlung der EDA nicht kritisch ist eine ausreichende Genauigkeit der Messung erreicht werden HANO3 Il 3 3 5 5 Daten bertragung per Funk mit Bluetooth Eine Funk bertragung der Daten w re f r manche Anwendungsbereiche w n schenswert Ein kabelloser Betrieb erh ht den Komfort wie auch die Sicherheit der Verwendung Eine denkbare M glichkeit ist der Einsatz eines Bluetooth Moduls mit Serial Port Profile SPP Derartige Module unterst tzen die bidirektionale bertra gung von seriellen Daten nach dem UART Standard mit bis zu 230kBaud U bertragungsgeschwindigkeit Die Daten stehen am Computer durch einen virtuellen Com Port
202. id make_dialog void Erzeugt den Benutzerdialog void load HANDLE hFile L dt die Elementparameter vord incoming data ine port 21938 73138 Werte an den Input Ports eingetroffen void save HANDLE hFile Speichert die Parameter void work void Berechnungen Weiterleiten der Werte an die Output Ports DEMOOBJ Destr ktor METHODEN f r spezielle Funktionalit ten Er void update inporees v81d beim Verbinden oder Entfernung von Input Ports void session_start void beim Start der Session durch den Benutzer void session_stop void beim Beenden der Session durch den Benutzer void session_reset void beim Reset der Session durch den Benutzer void session_pos long pos beim Postitionieren innerhalb der ge ffneten Archivdateien Nachrichtenbehandlungsroutine f r den Benutzerdialog friend LRESULT CALLBACK DemoDlgHandler HWND hDlg UINT message WPARAM wParam LPARAM lParam private Raum f r private Variablen 123 6 10 3 2 Die Quellcode Datei f r das Element Die Implementierung der Objektklasse und der Nachrichtenbehandlungsroutine be finden sich in der Quellcodedatei ob_demo cpp Das Element soll zwei mit den Input Ports verbundene Signale auf eine Art kombinieren die durch die Auswahlbox be stimmbar ist Der Schieberegler dient zur Skalierung des Outputs von 0 100 Die Schaltfl che soll eine Meldung am Bildschirm darstellen Der folgende Quellcode
203. ide Richtungen im Integrator Modus be trieben um die relativen Positions nderungen an den Input Ports in eine absolute Position am Bildschirm umzuwandeln Click Selector DOUBLE RIGHT DRAG max Pos 11 280 max Y Pos 11 024 AGNITUDE THRESHOLD DEBOUNCE Ale x Integrator IV Y Integrator M b m Accelleration gt fo Y Accelleration 4 gt Ta activate Click Selector IV MAGNITUDE ESHOLD DEB OLNCE Standby Mouse Functions I Abb 8 16 Design Konfiguration f r die Kamera Maus 170 Um Links und Rechtsklicks durchzuf hren werden Kinnbewegungen analysiert Da zu wird zun chst die relative Anderung von Nase und Kinn bestimmt indem X und Y Werte von Nasen und Kinnposition durch zwei Expression Evaluator Elemente subtrahiert werden Die Bewegung des Kopfes zur Steuerung der Maus moderate Bewegungen und Drehungen ndern die Position von Nase und Kinn in nahezu identischer Weise die Differenz ist nahe Null Wird aber nur das Kinn horizontal oder vertikal bewegt erscheinen Schwankungen der Differenz der X bzw Y Werte Um die St rke dieser Bewegungen zu messen werden zwei Magnitude Elemente ver wendet deren Passband auf 3 5 5 5 Hz eingestellt ist Dadurch werden langsame Anderungen unterdr ckt und schnelle Kinnbewegungen erkannt Nachfolgende Threshold Elemente legen den Schwellwert fest ab dem ein Mausklick ausgel st werden soll Das Debounce Element verhindert Mehrfachkli
204. identifizieren oder Asymmetrien zwischen linker und rechter Seite festzustellen Dynamische EMG Messungen zeigen die Zusammenarbeit beteiligter Muskelstrukturen an Bewe gungsabl ufen bzw die Entspannungsphase nach einer Belastung Bei der Erstel lung eines psychophysiologischen Stressprofils wird die Reaktion im EMG bei der Konfrontation mit emotional bedeutsamen Stressoren berpr ft Ein Bezug auf Normwerte sollte nur unter Vorsicht geschehen da die Eichung der Messinstrumente nicht immer gegeben ist Liegt eine Muskelverspannung vor wird das EMG Training f r die Entspannung der betroffenen Muskulatur konfiguriert und eingesetzt L sst sich bei einer tastbaren Muskelverh rtung kein erh hter EMG Wert feststellen so deutet das auf eine Muskelverk rzung hin und das EMG wird zur Unterst tzung von Dehnungs bungen eingesetzt 30 2 3 2 Biofeedback bei Spannungskopfschmerz und Migr ne Neunzig Prozent aller Kopfschmerzen gehen auf zwei Kopfschmerzarten zur ck den Spannungskopfschmerz und die Migr ne Beim Spannungskopfschmerz spielen muskul re Verspannungen eine wichtige Rolle obwohl dadurch das Schmerzge schehen nicht vollst ndig erkl rt werden kann Auch die Entwicklung einer Migr ne ist nicht vollst ndig gekl rt wird aber verbreitet mit einer Instabilit t der Blutgef re gulation im Kopf und eine erh hte Sensibilit t auf aversive Umweltreize Stress im weitesten Sinne in Zusammenhang gebracht Hierbei kann es zu ein
205. ie dienen einer be stimmten Art von Wertsch pfung aus den gewonnenen Signaldaten So k nnte der aktuelle Wert am Bildschirm als Zahl oder Balkengrafik angezeigt ber Netzwerk gesendet oder zur Steuerung eines Klanges Filmes oder externen Ger tes verwen det werden Signalsenken k nnten effektive Funktionen f r eine Maussteuerung oder zur Erzeugung anderer Steuersignale f r eine alternative Benutzerschnittstelle be reitstellen 5 2 2 Strukturen f r die Verwendung der Konfigurationselemente Jedes Element sollte nach dem Einf gen in eine Konfiguration als grafisches Symbol dargestellt werden Die Input und Outputverbindungen m ssen als Interaktionspunk te gekennzeichnet sein Durch Anklicken eines Output Ports wird eine Verbindung zu einem Input Port eines anderen Elementes gezogen Von einem Output Port k nnen mehrere Verbindungen zu anderen Elementen f hren Eine Verbindung wird grafisch als Linie zwischen den Ports dargestellt Sobald eine Verbindung erstellt wurde flie t ein Signal vom Output Port des Quellelements zum Input Port des Zielelements Die Signalwerte werden in Form von Gleitkommazahlen mit einer einstellbaren bertra gungsrate weitergeleitet Erlaubt ein Element die Modifikation von Optionen sollte f r dieses Element ein eigener Benutzerdialog zur Verf gung stehen Die Art des Benut zerdialoges wird durch die Klasse des Elementes vorgegeben ein Dialog zeigt im mer die aktuellen Werte f r ein bestimmtes Element
206. iehe Abb 2 6 Der Sinusknoten ist i ein autonomer Impulsgenerator f r kaa die Erregung des Herzmuskels Die ao Impulsgeschwindigkeit wird durch SEE den Sympaticus oder Parasympati cus Nervus Vagus gesteigert bzw verlangsamt Vom Sinusknoten brei tet sich die Erregung ber die Vorh Po fe Atrium zum Atrio Ventrikular m Knoten AV Knoten und von dort ber die Tawara Schenkel und das rechter Vorhof rechte Kammer His B ndel in die Herzkammern Ventrikel aus CAR06 l Av Knoten k i rechter A Tawara i Sinuskn oten Schenkel w kah a Ti Abb 2 6 Der Verlauf der Erregungsausbreitung im Herzen Die charakteristische Form des EKG Ponele ERSTESMDRINK me l sst sich in P Welle QRS Komplex t und T Welle gliedern Abb 2 7 Die P Welle entsteht durch die sequen JE tielle Aktivierung Depolarisation des La N rechten und linken Vorhofes Der QRS Komplex entsteht durch die De polarisierung der rechten und linken i Ventrikel und die T Welle durch die Repolarisierung der Ventrikel CARO6 I I I P Zelt i ST Strecke e e Abb 2 7 Die charakteristische Form des EKG Die H he und Auspr gung der Wellen sowie ihre Intervalle geben Aufschluss ber ein physiologisches oder pathologisches Geschehen Die h chste Amplitude im EKG ist normalerweise die R Zacke sie erreicht bis zu 1 5 mV in der Oberfl chenmes sung Die verwendeten Elektroden f r di
207. igitalisierung als St rfrequenzen und verf lschen die tats chlichen Signalkomponenten in diesen Frequenzbereichen SMIO1 57 analoge Frequenz 0 09xSF _ analoge Frequenz 0 95xSF IN Abb 3 6 Ausreichende Samplingrate Abb 3 7 Inadequate Samplingrate Aliasing Da durch die Antennenwirkung der Elektrodenkabel und die kapazitive und induktive Einkopplung von St rungen hochfrequente Signalanteile pr sent sind ist es wichtig diese vor der Digitalisierung aus dem Signal zu entfernen um Verf lschungen durch Aliasing zu verhindern Dies geschieht durch geeignete Tiefpass Filter Anti Aliasing Filter zwischen bzw in den Verst rkerstufen Ziel ist die Frequenzen ber der hal ben Samplefrequenz weitestgehend aus dem Signal zu entfernen Hierf r eignet sich die modifizierte Sallen Key Schaltung f r aktive Filter SMIO1 Die Abbildung zeigt einen Filter 2ter Ord nung 2 Pol bestehend aus Widerst n den Kondensatoren und einem Operati onsverst rker fe gibt die Cut Off Fre quenz des Filters in Hz an Die Konstan ten k und k bestimmen den Typ des Fil ters Bessel Butterworth oder Chebys hev Die Filtertypen unterscheiden sich in der Sch rfe beim Abschneiden h herer Frequenzen Roll Off und in der Impuls antwort im Zeitbereich Abb 3 8 Tiefpassfiler Sallen Key Schaltung Als Anti Aliasing Filter werden h ufig Besser Filter verwendet die zwar im Frequenz bereich nicht so genau absch
208. igt eine EOG Ableitung der Hori zontalbewegungen es wurden mehrfach Blicke nach links und rechts ausgef hrt Abb 2 9 Messung des EOG horizontale Blicke 20 2 1 4 Elektroenzephalogramm EEG und Elektrokortikogramm ECoG Beim Elektroenzephalogramm wird die Depolarisation von Nervenzellen des Gehirns gemessen An der Kopfoberfl che ist nur die Summe von Aktionspotenzialen gr e rer Zellverb nde messbar das Signal wird durch den Sch delknochen und die Kopf haut weiters gestreut Es k nnen durch das Oberfl chen EEG vor allem die Aktivit ten der Gro hirnrinde Kortex erfasst werden Ein Gro teil der Signale wird durch die postsynaptischen Potenziale der Pyramidenzellen produziert Ein synchronisier tes Depolarisieren von 10000 Zellen ca Imm Volumen der Hirnrinde erzeugt an der Kopfhaut Potenzial nderungen von etwa 1 uV Bei der Ableitung unterscheidet man unipolare und biopolare Konfigurationen Bei der unipolaren Mes sung werden die Elektroden ber den Messpunkten gegen eine indifferente Elektrode an einem elektrisch wenig aktiven Bereich z B am Ohrl ppchen abgelei tet Die bipolare Ableitung misst die Differenzspan nung zweier aktivierter Bereiche Die Ableitung des Oberfl chen EEG erfolgt meist mit chlorierten Silber elektroden Ag AgC und einem elektrolytischen Gel Kontaktgel Aktive Elektroden mit Vorverst rker bie ten besseren Schutz gegen ber St rsignalen und Ein streuungen Meist werd
209. ik erm glicht Auf diese Weise k nnen Fernseher Videorecorder Sat Receiver Musikanlage und durch den Einbau entsprechender Effektoren auch Fenster Klimaanlage Beleuchtung Telefon oder Kopfteil des Bettes selbstst ndig gesteuert werden Ein Beispiel ist der Abb 2 28 Sicare Pilot Sicare Pilot der Dr Hein GmbH welcher in der Grundausf hrung Umgebungssteuerung etwa 2 500 Euro und mit Funkoption etwa 3500 Euro kostet http www sicare de Meist werden die Sprachkommandos trainiert das System arbeitet also sprecherab h ngig Dies erm glicht gute Erkennungsraten f r die Stimme der bedienenden Per son und eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen ber den Stimmen anderer Per sonen ZAG04 2 4 4 Interaktion durch EMG oder EOG Eine Reihe von Entwicklungen verwendet Muskelpotenziale EMG oder elektrisch gemessene Augenbewegung EOG als Eingabemodalit t zur Auswahl von Selektio nen oder als Alternative zur Computermaus EMG Signale erlauben eine sensitive Messung kleinster Muskelbewegungen und erm glichen dadurch die Bet tigung ei nes realen oder virtuellen Tasters zur Verwendung von Scanning Software oder auch die proportionale Steuerung von Eingabewerten durch die Messung der Mus kelkontraktion Mit EOG und oder EMG l sst sich die Position des Mauszeigers steu ern oder durch die Erkennung des Lidschlages eine Auswahl treffen Die folgenden Beispiele zeigen m gliche Anwendungen dieser Techniken 39 2 4 4 1 Mausersa
210. in Ma f r die durchschnittliche Abwei chung der Samples vom Mittelwert Das Quadrat der Standardabweichung o ist die Varianz des Signals SMIO1 N 1 1 1 HZA GI 4 3 ee X GI 4 4 Abb 4 1 links zeigt ein station res Signal mit einem Erwartungswert von 3 und ei ner Varianz von 0 2 Abb 4 1 rechts zeigt ein nicht station res Signal Erwartungs wert und Varianz k nnen bei diesem Signal nur in kleinen Abschnitten ermittelt wer den 74 nicht station res Signal 17 1 7 1 2 7 Amplitude Amplitude 0 amp 138 192 ie 34 dl Samples Samples Abb 4 1 Station re und nichtstation re Siganale 4 2 2 Histogramm Wahrscheinlichkeitsdichte Beim Histogramm werden die verschiedenen Messwerte auf der x Achse und ihre H ufigkeiten auf der y Achse aufgetragen es entsteht eine Ubersicht der H ufigkei ten ihres Auftretens Erwartungswert und Standardabweichung lassen sich aus dem Histogramm ablesen bzw daraus berechnen Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ist eine normierte kontinuierliche Version des Histogramms welche die Auftritts wahrscheinlichkeiten f r einen Wert angibt SMIO1 10000 Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion CO A Zi Z G pise T 6000 T 2 rn Ih E Esi p r 4000 I 7 u 2000 E Z Ex 3 OFS wA Fr 90 100 110 120 130 140 150 160 170 90 100 110 120 130 140 150 160 170 sample Wert Messwert Abb 4 2 Histogramm und Wahrscheinlichkeitsdic
211. inde von Tieren 1884 stellt Svante Arrhenius Schweden die Hypothese auf dass die Molek le be stimmter Substanzen durch ihre L sung in Wasser in positiv oder negativ geladene lonen zerfallen und so die Leitung elektrischen Stromes erm glichen Augustus Waller London benutzt 1887 den von Gabriel Lippmann entwickelten Ka pillarelektrometer um durch Herzt tigkeit bedingte Spannungs nderungen an der K rperoberfl che aufzuzeichnen das erste Elektrokardiogramm entstand Willem Einthoven verbessert 1895 die Kapillarelektrometerkurvenanalyse durch mathemati sche Berechnungen und beobachtet 5 Phasen die er P Q R S und T nennt 1889 formuliert Walter Hermann Nerst Deutschland ein System von Gleichungen welches das Verhalten von Elektrolyten in Gegenwart elektrischer Str me beschreibt Julius Bernstein Heidelberg gilt als der Begr nder der Membran Theorie er fand 1902 die selektive Durchl ssigkeit der Zellmembran von Nervenzellen f r bestimmte lonen 1924 wird vom deutschen Neurologen Hans Berger Jena erstmals das EEG eines Menschen aufgezeichnet Er publizierte seine Ergebnisse 1929 unter dem Titel Uber das Elektrenkephalogramm des Menschen erst 1934 fanden die Entdeckungen konkrete Anwendungen durch die Forschungen des englischen Neurophysiologen Edgar Douglas Adrian Cambridge 1949 entwickelte Kenneth Cole Chicago die Voltage Clamp Methode Diese ent koppelt die Funktion bestimmter Typen von lonenkan len in d
212. iner Ver nderung in aufeinander folgenden Kamerabildern und eine Plausibilit tspr fung erkannt Ein doppelter Lidschlag wird zur Aktivierung Deaktivierung des Systems eingesetzt das Klicken erfolgt auch hier durch Ver weilzeit dwelling Ein Malprogramm und einige Spiele erleich tern die Ubung mit dem System GORO2 Abb 2 36 Tracking der Nase f r die Cursorsteuerung 2 4 6 2 Detektion der Blickrichtung Gaze Tracking Der Einsatz von hochaufl senden videookulografischen Systemen erlaubt eine ge naue Bestimmung der Blickrichtung Durch entsprechende Software und eine Ka libration mit dem Computermonitor kann der betrachtete Punkt bis auf wenige Milli meter errechnet werden Dadurch k nnen ein Bildschirmkeyboard ein Sprachsyn thesizer oder eine Umgebungssteuerung durch Blicke gesteuert werden Die Aus wahl erfolgt meist durch l ngere Blicke auf die gew nschte Stelle dwelling Infrarot Beleuchtung dunkle Pupille invertiert Y Augenlid Iris Tracking Bildanalyse Kreuz Software Infrarot sensitive Kamera Comea Reflexion Abb 2 37 Komponenten und Funktionsweise eines Gaze Tracking Systems Ein gro er Teil der auf dem Markt befindlichen Gaze Tracking Systeme verwendet als unterst tzendes Merkmal zur Ermittlung der Augenstellung die Reflexion von Inf rarotlicht durch die Cornea Zusammen mit der Information ber den Ort der Pupille k nnen dadurch auch R ckschl sse auf die K
213. iner exakten Systemzeit n tig In Windows Systemen ist der genaueste zur Verf gung stehende Zeitgeber der so genannte PerformanceCounter Dieser Wert kann zur Synchronisierung der Elementaufrufe mit der Samplefrequenz verwendet werden Eine m gliche Vorge hensweise w re im Timer Interrupt den PerformanceCounter abzufragen und bei Erreichen oder berschreiten des Intervalls der Samplefrequenz die Elemente in der richtigen Reihenfolge abzuarbeiten Wird der Timer Interrupt durch Latenz zu sp t ausgel st muss dies durch k rzere Intervalle in den folgenden Aufrufen kompensiert werden 5 3 2 Strategien f r zeitkritische System und Rechenaufgaben Zeitkritische Aufgaben k nnen nicht im Zuge der periodischen Aufrufe der Elemente ausgef hrt werden da eine kontinuierliche Abarbeitung der Konfiguration mit der eingestellten Geschwindigkeit darunter leiden w rde Deshalb m ssen Operationen die entweder zuviel Rechenzeit ben tigen oder den Prozessor durch Warten auf ein Ereignis blockieren k nnten angemessen behandelt oder aus den periodisch aufge rufenen Routinen der Elemente ausgelagert werden Eine m gliche Strategie w re 94 in dem zur Verf gung stehenden Zeitfenster nur einen Teil einer Berechnung durch zuf hren oder nur auf das Eintreffen eines Ereignisses abzufragen nicht zu warten Eine andere Strategie ist die Auslagerung derartiger Prozesse in eigene Threads Dadurch wird das Zeitmanagement vom Betriebssystem selbst
214. innerhalb eines bestimmten Bereichs Frequenzband passie ren Ein Band Stop Filter filtert den Inhalt eines Frequenzbandes heraus und l sst umliegende Bereiche passieren Der Filter kann Bessel oder Butterworth Charakte 147 ristik haben Die Filtertypen unterscheiden sich in der Pr zision im Zeit bzw Fre quenzbereich Der Besselfilter hat einen flacheren Abfall roll off im Frequenzbe reich was bedeutet dass er in der D mpfung im Bereich seiner Frequenzgrenze weniger scharf ist Daf r zeigt der Bessel Filter im Zeitbereich weniger berschie Ben Ringing und weniger Latenzzeit Die Einstellung des Typs Filter Type der Ordnung Filter Order und der Frequenzgrenzen erfolgt durch Eingaben im Benut zerdialog Eine h here Filter Ordnung f hrt zu einer sch rferen Filtercharakteristik im Frequenzbereich aber auch zu einer l ngeren Verz gerung im Zeitbereich Brauch bare Werte f r die Filterordnung sind 2 8 Durch die Bet tigung der Schaltfl che Apply wird die Filterantwort response im Frequenzbereich angezeigt Der Fre quenzbereich f r die Darstellung kann durch Eingaben in die entsprechenden Text felder ge ndert werden FILTER f Filter Name Alpha Bessel Type BandPass Bessel Bu Fiter Order E from Hz E00 to Ha 12 00 4 5 1 6 2 T a 5 4 3 5 Abb 7 25 Parameterdialog des Filter Elementes Der dargestellte Bandpass Filter l sst Frequenzen um 10 Hz ohne D mpfung passie ren Frequenzen
215. ipiell braucht eine vern nftige Design Konfiguration mindestens eine Signalquelle wie einen Biosignalverst rker einen Signalgenerator oder ein Element zum Lesen von Archivdaten und ein Signalziel wie eine Spektralanzeige oder ein Oszilloskop Ein Element wird durch einen Links Klick auf das Zentrum eines Elementsymbols ausgew hlt Das aktuell gew hlte Element wird mit einer gelben Umrandung darge stellt Es kann durch ein Dr cken der Der Taste gel scht werden Durch Doppelkli cken auf das Zentrum eines Elements kann die Beschriftung ge ndert werden 135 BrainBay Design Insert Element Session Network Tools Options About Al 2 Source F Target F F r 255 00 uW 1 EEG Channel 1 Math Others 256 00 uw 2 EEG Channel 2 1 258 00 uv 2a ie Time 0 0 tatus Configuration Ioaded NN E ZATRE 5 C f tion loaded Abb 7 6 Einf gen von Elementen in die Design Konfiguration 7 5 2 Verbindung von Elementen Eine Verbindung zweier Elemente wird erstellt indem der Output Port des Quellele ments geklickt und die Verbindung auf einen Input Port des Ziel Elements gezogen und dort abgelegt wird Drag and Drop Signalquellen haben mindestens einen Output Port orange Die Abbildung zeigt ein EEG Element mit sieben Output Ports sechs f r Signale der Messkan le einer f r die Stellung der Kontrolltaster Signalziele haben mindestens einen Input Port gelb Das dargestellte Oszilloskop Element ver ndert die Anzah
216. ird versucht durch die Ver nderung der Modellparameter einen m glichst geringen Unterschied zum Zielbild zu erreichen und die Strukturen dadurch aufzufinden Die Modelle sind also verformbar und lassen neue Interpretationen zu durch das Training erh lt das Modell Informati onen ber sinnvolle Variationen der Modellparameter Um eine m glichst einfache Repr sentation f r erlaubte Variationen zu finden werden aus Daten der verschied nen Trainings Bilder durch eine Eigenwertzerlegung die orthogonalen Basisvektoren ermittelt siehe PCA 5 6 2 Bei Active Shape Modellen wird nur die Form bzw Posi tion von Koordinaten variiert w hrend Active Appearence Modelle auch die Hellig keits oder Farbwerte der hinterlegenden Textur einbeziehen Modellbasierte Metho den beruhen auf dem Top Down Prinzip das sich grundlegend von Bottom Up Stra tegien wie der Haar Klassifikation unterscheidet 4 7 Softwarepakete zur Biosignalverarbeitung Das Angebot an Software f r die Verarbeitung von Biosignalen erstreckt sich von einfachen Feedback Spielen f r ein bis zwei Signalparameter bis zu komplexen Ap plikationen f r die Analyse von Vielkanal EEG Ableitungen Der folgende berblick zeigt exemplarisch einige kommerzielle und nichtkommerzielle L sungen 4 7 1 Matlab Simulink Die Matlab Applikation der Firma Mathworks ist durch den gro en Umfang an Funk tionen und durch die universelle Einsetzbarkeit zu einem Standard in der wissen schaftlichen F
217. ischen Feldern ha ben die Spannungen in Kabel oder Messvorrichtung induzieren aber auch in der Einstreuung anderer Biosignale Hohe Widerst nde durch schlechten Elektrode Haut Kontakt f hren ebenso zu Artefakten wie ein Verrutschen von Elektroden oder Bewegungen der Elektrodenkabel Im Folgenden werden die wichtigsten Ursachen von Artefakten und m gliche Strategien zu ihrer Vermeidung kurz besprochen 3 1 3 1 Einkopplung von St rungen Gleichtaktanteil und CMR Elektrostatische Felder oder ver nderliche Magnetfelder verursachen durch kapaziti ve oder induktive Kopplung St rstr me in den Kabeln und Leiterschleifen der Ablei tevorrichtung sowie im menschlichen K rper Besonders starke Einkopplung verur sacht die Pr senz von Wechselstromverbindungen der Netzversorgung in der N he der Verst rkereinheit bzw bei einer Verwendung langer ungeschirmter Elektroden kabel Netzbrumm 50Hz Noise Abb 3 4 zeigt die kapazitive Einkopplung der Netzspannung db m in den menschlichen K rper bei taf TR aes EE logt einer EKG Ableitung Da das 1ooa 10 pF O 17 em St rsignal an allen Teilen des __ T son 500 oT _T st rung 2 K rpers bzw an den Verst r en a SE ze kereing ngen gleichzeitig pha K rper Joop Q sengleich eintrifft spricht man st rung 79 FI vom Gleichtaktanteil common E mode portion Die common UAL sooo mode rejection ratio CMRR elf gibt an wie stark die gleichpha sigen Anteile im Verh ltnis zum
218. ist auf geringe Toleranzwerte f r Kon densatoren und Widerst nde zu achten In hochqualitativen Biosignalverst rkern sollte die Fehlerquelle durch internes Rauschen weniger als ein uV betragen 3 1 4 Der Instrumentenverst rker Die umgebenden elektromagnetischen Wechselfelder induzieren Spannungen in den menschlichen K rper welche die zu messenden bioelektrischen Signale um ein Viel faches bersteigen Gleichtaktanteil siehe 3 1 3 1 Um dennoch eine Verst rkung der sehr kleinen Gegentaktsignale bei Unterdr ckung des Gileichtaktanteils zu errei chen werden meist Instrumentenverst rker eingesetzt A R R Subtrahierer UcmYUn Uour Un A A Ucm 0 Abb 3 5 Aufbau eines Differenzverst rkers Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Instrumentenverst rkers aus drei Operationsverst rkern Operationsverst rker sind Differenzverst rker die den Po tenzialunterschied an den Eing ngen mit sehr hohem Verst rkungsgrad g ngige Werte liegen bei 250000 an den Ausgang weiterleiten bersteigt das Potenzial am invertierenden Eingang das Potenzial des nicht invertierenden Einganges wird der Ausgang negativ Durch R ckkopplung des Ausganges mit Spannungsteilern an 56 den invertierenden Eingang k nnen beliebige kleinere Verst rkungsfaktoren er reicht werden In der Abbildung wird deutlich dass das zu verst rkende Signal direkt mit den nicht invertierenden Eing ngen der ersten beiden Operationsv
219. it zur Erkennung von Muskelin suffizienz und ein Kontrollinstrument f r Rehabilitation und Muskelaufbau In der Neurographie wird die Reizantwort des Muskels auf eine elektrische Stimulation des Nervs zur Feststellung der Nervenleitgeschwindigkeit gemessen 2 1 2 Elektrokardiogramm EKG Das EKG misst die Depolarisation des Herzmuskels und hat gro e Bedeutung in der Diagnostik von Herzkrankheiten und in der Vorbeugung von Herz Kreislauferkrank ungen Das EKG konnte aufgrund seiner starken Amplitude bereits 1887 erstmals gemessen werden Seither etablierten sich mehrere Varianten der Ableitung von denen heute vor allem die Ableitungen nach Wilson Einthoven und Goldberger von Bedeutung sind Ein vollst ndiges Standard EKG wird an 12 Stellen abgeleitet DAV 3 bipolare Ableitungen von den Extremit ten nach Einthoven Abb 2 4 rechter Arm zum linker Arm lateral Il rechter Arm zum linken Bein superior inferior Il linker Arm zum linken Bein superior inferior Die Elektrode am rechten Arm ist meist rot die am linken Arm gelb und die am linken Bein gr n markiert man spricht von einer Ampelableitung rechter Arm linker Arm linkes Bein Abb 2 4 Die drei Hauptachsen bei der EKG Ableitung nach Goldberger l bzw nach Einthoven r 3 unipolare Ableitungen von den Extremit ten nach Goldberger Abb 2 4 Eine Extremit t differente Elektrode wird gegen ber der gemeinsamen Referenz der beiden
220. ives Kommunikationsmedium erstreckt Viele der L sungen sind dabei stark auf einen Anwendungsbereich einge schr nkt und bieten softwaretechnisch kaum M glichkeiten f r dynamische Konfigu rationen oder Erweiterungen Auch im Bereich der Kommunikationshilfsmittel f r Menschen mit motorischer Behinderung existieren viele Speziall sungen die meist auf einer bestimmten Eingabemodalit t aufbauen hier w re jedoch eine weitgehen de Adaptierbarkeit n tzlich um das System optimal auf die individuellen Bed rfnisse der Benutzer abstimmen zu k nnen Projektzielsetzung Ziel dieser Arbeit ist es ein kosteng nstiges System zur Erhebung Auswertung und Aufzeichnung von Biosignalen sowie von Sensor und Videodaten zu realisieren welches audiovisuelle Darstellungsm glichkeiten f r Biofeedback bietet und moto risch behinderten Menschen alternative Eingabemodalit ten f r die Verwendung des Computers zur Verf gung stellt Die Design Pr missen f r die Entwicklung sind intui tive Konfigurierbarkeit mittels grafischer Benutzeroberfl che schnelle Signalverarbei tung ansprechende Aufbereitung der Vitalparameter und Kombinierbarkeit mit be stehenden L sungen f r Umgebungssteuerung und Computerinteraktion Die vorliegende Ausarbeitung gibt einen berblick ber die verwendete Technik und stellt die Hardware und Softwarekomponenten des Systems dar Diese Komponen ten bauen auf freier Open Hardware und Open Software auf und werden als solche
221. kernel32 lib user32 lib gdi32 lib winspool lib comdlg32 lib advapi32 lib shell32 lib ole32 lib oleaut32 lib uuid lib odbc32 lib odbccp32 lib comctI32 lib winmm lib vfw lib opengIl32 lib glu32 lib glaux lib 6 2 1 2 Open Source Bibliotheken Die folgenden Open Source Bibliotheken stellen Funktionen f r hardwarenahe Mul timediaprogrammierung Auswertung mathematischer Terme und Bildverarbeitung zur Verf gung Die zugeh rigen lib Dateien m ssen sich im Bibliotheks Verzeichnis der Entwicklungsumgebung befinden bei Visual Studio visu al_studio vc98 lib oder ber die Pfadangabe f r den Linker erreichbar sein SDL lib SDL_net lib SDL_sound lib modplug lib Simple Direct Media Layer http 7 www libsdl org fidlib lib Jim Peter s Filter Library http uazu net fidlib matheval lib Gnu math evaluator library http www gnu org software libmatheval manual libmatheval html cv lib cvcam lib cxcore lib highgui Intel s Open Computer Vision Library OpenCV http www intel com research mri research opencv skinstyle lib SkinStyle Win32 Skinning Library von John Roark http www codeproject com dialog skinstyle asp 99 6 2 1 3 Kommerzielle Bibliotheken f r die Matlab Unterst tzung Diese Bibliotheken dienen zur Verwendung der Matlab Engine die einen Austausch von Daten zwischen Matlab und dem Matlab Element von Brainbay erm glicht Sie sind Teil der Matlab Distribution In der Standardkonfiguration von BrainBay ohne
222. kortikogramm ECoG werden die Potenziale direkt von der Oberrfl che des Kortex durch Offnung der Sch deldecke abgenommen Die Ableitung er folgt meist mit Streifen oder Matrixelektroden grid electrodes Bei der subkortika len Ableitung werden Elektroden in tiefere Hirnregionen implantiert Diese Ableitpo sitionen erm glichen weitaus st rkere Signale als das Oberfl chen EEG Durch sub durale Messungen k nnen etwa epileptische Herde vor einer Operation genau lokali siert werden durch kortikale oder Tiefenableitungen ist die Messung der Aktivit t einzelner Nervenzellen m glich SEEO6 Die Implantierung von Elektroden zur k nstlichen Wiederherstellung motorischer Funktionen Direct Brain Interface DBI siehe 2 5 5 wird seit l ngerem wissenschaftlich erforscht LEVOO 2 1 4 1 Evozierte und Ereigniskorrelierte Potenziale EP EKP ERP Da im Oberfl chen EEG die kleinen Signalanteile aus tieferen Hirnschichten nicht feststellbar sind weil sie im Vergleich mit dem Restsignal eine viel zu geringe Ampli tude aufweisen der Signal Rausch Abstand ist zu klein verwendet man die Methode der Mittelung mehrerer Versuche frial averaging Hierf r wird zu einem bekannten Zeitpunkt ein visueller auditiver somatosensorischer oder kognitiver Reiz pr sentiert und die Reaktion auf diesen Reiz im EEG aufgezeichnet Durch die vielfache Wie derholung des Versuches zB 80 oder 150 Einzel Trials und die Addition der Sig nalwerte rund um den
223. kten Vergleich der Werte erleichert 7 6 3 6 Das Particle Animation Element Das Particle Animation Element implementiert ein grafisches Partikelsystem das sich zur Visualisierung von Signalparametern eignet Die Einstellungen der Partikel erzeugung k nnen durch bis zu sechs angeschlossene Signale beeinflusst werden Dadurch k nnen Effekte wie Font nen Flammen oder pulsierende Kreise erzielt werden die manche Eigenschaften wie ihre Farbe oder Intensit t durch die Input Werte ndern ram 4 Color Palette none Import Colors Import Colors S Paramter Number of Particles of Particles Value 1375 25 Remote Control a xl no Range al x 1 00 500 E mute Abb 7 41 Parameterdialog und Ausgabefenster des Particle Animation Elementes 156 Folgende Eigenschaften des Partikel Systems k nnen durch die Auswahlbox Para meter gew hlt werden e Anzahl von Partikeln im System Number of Particles e Erzeugungsgeschwindigkeit Generation Interval e Darstellungsverz gerung Slowdown e Farbe Color e X Y Z Position e X Y Z Geschwindigkeit Speed e X Y Z Gravitation Gravity e Lebensdauer eines Partikel Life Span e Zufallsanteil an der Geschwindigkeit Randomizer Durch Import Colors wird eine Farbpalette geladen der Parameter f r Farbe gibt ei nen Index in dieser Palette an Die obigen Eigenschaften des Partikelsystems wer den einzeln ausgew hlt und durch einen Schieberegler einges
224. l len Werte die Alpha und Beta Magnituden werden durch Filter berechnet und in se paraten Fenstern als vertikale Balken gezeigt In diesen Fenstern sind Grenzwerte sichtbar deren Erreichen zur Ausl sung eines Audio Signals f hrt 163 mE MAGNITUDE m MIDI THRESHOLD hAAGNITUDE HAAGNITUDE THRESHOLD hAAGNITUDE am Abb 8 2 Elemente der Konfiguration f r das Neurofeedback von EEG Frequenzb ndern Die Konfiguration besteht pro Kanal aus den folgenden Elementen e ein Filter vom Typ Bandstop Resonator Bandstop frequency 50 Hz Order 8 e eine Verbindung zum Oscilloscope um den gefilterten Kanal darzustellen e ein FFT Element Berechnungsperiode 10 Samples Verst rkung 250 128 Bins Frequenzanzeige 3 40 Hz Typ Balkendiagramm importierte Farbpalette e zwei Magnitude Elemente Butterworth Filtercharakteristik Frequenzbereiche 8 12 Hz und 16 20 Hz Filter Ordnung 4 Verst rkung 100 e ein Expression Evaluator Element zur Addition der berechneten Magnituden e Threshold Element Mittelung von 200 Samples untere Grenze auf 21 5 uV e Midi Tongenerator Verwendung einer benutzerdefinierten Tonleiter und eines Ausgabeintervalls von 70 Samples Filterantwort und 3D Darstellung der Frequenzb nder Die Frequnenzselektivit t des 50HZ Filter ist im Benutzerdialog zu sehen Eine Ver wendung der 3D Darstellung f r die Fourier Transformation erfolgt durch Auswahl der Option 3D Linegrid im Benutzerd
225. l der Input Ports dynamisch es k nnen bis zu 32 Signa le angeschlossen werden Verarbeitungselemente haben meist Input und Output Ports 7 5 3 Darstellung der Eigenschaften einer Verbindung EEG CHN 2 gt OSCIICHNZ Description EEG Channel Signal Range 256 00 to 256 00 u Abb 7 7 Anzeige der Eigenschaften einer Elementverbindung Durch einen Linksklick einer Elementverbindung werden Informationen wie die Na men der verbundenen Ports die Bezeichnung der Verbindung der Wertebereich und die Dimension des Signals in einem Dialogfenster dargestellt 136 7 5 4 nderung von Wertebereich und Signalbeschreibung Die Verbindungseigenschaften werden durch das Rechtsklicken eines Ports ge n dert Je nach Art des Ports wird ein Out Port oder In Port Dialog ge ffnet Dort k nnen Signalbeschreibung und Wertebereich ge ndert werden Falls ein Element Input Ports und Output Ports besitzt k nnen die Signaleigenschaften der Output Ports von den Input Ports geerbt werden Auf diese Weise kann der Wertebereich eines Signals zu den folgenden Elementen propagiert werden Output Port EEG chn 2 Description EEG Channel 2 Signal Range 256 00 to 1256 00 Mr r get from In Port Abb 7 8 nderung von Signalbeschreibung und Wertebereich Es kann n tzlich sein den Wertebereich f r ein Element direkt an einem Input Port zu korrigieren weil manche Darstellungselemente wie das Oszilloskop die Midi Ausgabe oder
226. l der Samples eine Potenz von 2 sein 81 4 6 Weiterf hrende Klassifikationsmethoden Die Klassifikation von Daten ist oft die wichtigste Funktionalit t von digitalen Signal verarbeitungssystemen Meist ist die Aufgabenstellung eine Zuordnung des Signals oder Musters zu einer bestimmten Gruppe So kann die Klassifizierungsaufgabe f r ein BCI System etwa lauten Bewegungsvorstellungen im EEG zu erkennen bzw Artefakte auszuschlie en Die Erkennungsrate ist dabei ma geblich vom verwende ten Klassifikationsalgorithmus abh ngig Da eine eindeutige Unterscheidung nicht immer m glich ist wird eine Klassifizierungsstrategie nach der Anzahl der falsch positiv und falsch negativ erkannten Muster qualifiziert Die ROC Kurve Receiver Operating Characteristic stellt die richtig positiv erkannten Ziele den falsch positiven Klassifizierungen gegen ber SMIO1 Da eine Untersuchung gro er Datenmengen aufw ndig und zeitintensiv ist wird als erster Schritt zur Klassifikation meist eine Da tenreduktion durch die Extraktion relevanter Merkmale feature extraction durchge f hrt Bei der Erkennung eines Gesichtes auf einem Bild k nnten etwa die Konturen oder Durchmesser und Helligkeit bestimmter Merkmale geeignete Parameter f r die Klassifikation sein Bei einer Analyse von Biosignalen eignen sich oft Frequenzband aktivit ten oder die Kreuz Korrelation von Signalen Entscheidend f r die Effizienz der Klassifikation ist die Gewinnung von Merkma
227. led Einstellungen f r Baudrate und Frame setzten it tSetCommIiimec ts TIY COMDEV amp AILTIY TIMEOULSNEW goto failed Einstellungen f r Timeouts setzen SetupComm TTY COMDEV MAX_READ_BUFFER MAX_WRITE_BUFFER Puffergr en setzten ITY READERTHREAD CreateThread NULL 0 LPTHREAD_START_ROUTINE ReaderProc LPVOID ghwWndMain 0 amp dwReadStatld Anmelden und Starten von ReaderProc als Thread if ITY READERTHREAD NULL report_error CreateThread failed goto failed return TRUE Com Port erfolgreich initialisiert failed report_error Com Port not available TTY CONNECTED FALSE return FALSE 118 Der Lese Thread ReaderProc dient zur eventgesteuerten Verarbeitung der einge henden Datenpakete Die Read Funktion wird daf r im Overlapped Modus auf gerufen Die Funktion WaitForMultipleObjects wartet auf ausstehende Leseergeb nisse ohne das System zu blockieren und f hrt die Behandlung der aufgetreten E vents durch DWORD WINAPI ReaderProc LPVOID lpv OVERLAPPED osReader 0 Struktur f r overlapped read HANDLE hArray ILNUM_EVENTHANDLES Events zur Steuerung des Thread be were osReader hEvent CreateEvent NULL FALSE FALSE NULL Erzeugung der Overlapped Struktur f r die Lese Events hArray 0 osReader hEvent Lese Event hArray 1 TTY ThreadkExitEvent Exit Event while f fThreadDone amp amp TTY CONNECTED if
228. len welche die relevante Informati on in m glichst komprimierter Form beinhalten Der so entstandene Merkmalsraum ist von erheblich geringerer Dimension als die urspr nglichen Daten somit kann eine Unterscheidung von Eigenschaften leichter durchgef hrt werden Bei der Klassifikati on wird der multidimensionale Merkmalsraum in Klassen unterteilt Meist erfolgt ein Training von Klassifikatoren durch die Pr sentation von positiven und negativen Bei spielen 4 6 1 Neuronale Netze Neuronale Netze sind Klassifikationssysteme f r Daten die den biologischen Ner venverbindungen nachempfunden sind Sie bestehen aus verbundenen Einheiten Units nodes welche eingehende Impulse ihrer Verbindungen aufsummieren und begrenzen und an andere Units weitergeben Eine einfache und gebr uchliche Form neuraler Netzwerke besteht aus drei Schichten Input Hidden und Output Layer wobei die Units benachbarter Ebenen voll untereinander verbunden sind x Q x QA Xie QAN N IN NN N u N Informationsfluss Xl La 3 S X3 X aa TAF Xl OZY aE Be p I WI Kg FELL Xii D 5 Tu er Gewichtung Xl O KL TFT X3 an VA Hidden as s Xlp 97 If Layer ernannt Per IH Xl 0 Xl g Input Layer Abb 4 8 Aufbau eines Neuronalen Netzes mit 3 Schichten bzw einer einzelnen Unit 82 Andere Arten neuraler Netze haben etwa Feedbackpfade von Output zu Input Schicht oder eine ringf rmige A
229. len genauer vorgestellt 2 1 Elektrische Biosignale Bioelektrische Signale entstehen durch die Depolarisation von Nerven oder Muskel zellen im vitalen Gewebe siehe Kapitel 1 2 Sie k nnen an der K rperoberfl che durch Oberfl chenelektroden nichtinvasiv oder im K rperinneren invasiv durch subdurale Elektroden knapp unter der Haut bzw durch implantierbare Elektroden gemessen werden An der K rperoberfl che l sst sich nur die Summe der Aktivit t vieler Entladungen der tieferen Schichten messen eine genaue Lokalisation der Quellen ist schwierig und nur durch viele Messpunkte ann hernd m glich Implan tierbare Elektroden erlauben eine h here Aufl sung und ein besseres Sig nal Rausch Verh ltnis Signal Noise Ratio SNR Der medizinische Aufwand und die m glichen Komplikationen sind jedoch viel gr er Ein gro er Teil der bioelektri schen Signale l sst sich in ausreichender Qualit t von der K rperoberfl che ableiten Durch geeignete Elektroden und ein elektrolytisches Gel wird der Kontakt zur Haut hergestellt Die elektrische Leitung im K rper basiert auf einer Wanderung von lonen 15 die Leitung in der Elektrode bzw in den Kabeln basiert auf der Bewegung von Elekt ronen An der Kontaktstelle von Haut und Elektrode erfolgt die Umwandlung einer elektrolytischen Stromleitung durch lonenwanderung in eine Stromleitung in Festk r pern durch reine Elektronenwanderung Die folgenden bioelektrischen Signale k n nen
230. lerate im Dialogfenster Options ge ndert werden 7 6 1 2 Das Signal Generator Element Der Signal Generator produziert Sinus Rechteck oder S gezahn Signale mit ein stellbarer Frequenz Amplitude Phasenverschiebung und Offset Die Art des Signals wird ber die Auswahlbox festgelegt die anderen Werte ber Schieberegler Die ma ximale Amplitude normalerweise 500 kann ber die Einstellungen des Output Ports ge ndert werden durch Rechtsklick auf den Port Das Auswahlfeld enable Input Ports kontrolliert die Verf g barkeit der Einstellungen von Signal Type Sinus o o Frequenz und Phase durch Center E eH Input Ports Durch die Ver Frequency a fpo wendung der Input Ports k n Amplitudes 4f ho nen diese Werte durch andere Phase HADS Elemente beeinflusst werden W enable Input Forts Abb 7 11 Parameterdialog des Signal Generator Elementes 7 6 1 3 Das Constant Element CONSTANT Dieses Element gibt einen fixen Wert am Output Port aus der Output Value 0 00 durch Bet tigung von Apply ak tualisiert wird Abb 7 12 Parameterdialog des Constant Elementes 7 6 1 4 Das EDF FileReader Element Das EDF FileReader Element dient zum ffnen und zur Wiedergabe gespeicherter Signalarchive im European Data Format EDF ist ein gebr uchliches Format zum Austausch von Biosignalinformationen EDF92 Im Header einer EDF Datei werden eine Reihe von Informationen zur Aufnahme wie Datum Personend
231. lich wird Hier zeigt der Chebyshev Filter die deutlichste Verf l schung gefolgt vom Butterworth Filter Am besten schneidet der Bessel Filter ab der kaum berschie en produziert und im Gegensatz zum Chebyshev Filter eine lineare Phase zeigt steigende und fallende Flanke eines Rechteck Impulses sind nach dem Filter noch symmetrisch SMIO1 Butterworth fpern A RE T I Amplitude Amplitude 1 2 Zeit Sekunden Zeit Sekunden Abb 4 4 Sprungantwort von Chebyshev Butterworth und Bessel Filtern 76 Die Verwendung digitaler Filter bietet gegen ber analoger Filtertechnik viele Vorteile so entfallen komplexe Baugruppen die Hardwarekosten sind geringer und auch die Filterperformance ist aufgrund der h heren Genauigkeit bei der digitalen Verarbei tung besser 4 3 1 Faltung Convolution Digitale Filter k nnen u a durch die Operation der Faltung convolution realisiert werden Die Faltung kann als lineares System beschrieben werden das aus einem Eingangssignal x n und einem Faltungskern h n ein Ausgangssignal y n erzeugt Lineares h n x n hin yin Bei der diskreten Faltung werden die einzelnen Werte des Eingangssignals Impuls Dekomposition mit dem Faltungskern multipliziert und zu Werten des Ausgangssig nals addiert Ein Wert des Ausgangssignals wird dabei von mehreren Eingangswer ten beeinflusst da er durch eine Anwendung des vertikal gespiegelten Faltungs kernes
232. llen einer neuen Verbindung durchgef hrt Der Aufruf des Sortieralgorithmus befindet sich in der Nachrichtenbe handlungsroutine f r das Design Fenster Modul dialogs cpp A Das EEG Element der abgebildeten Konfiguration empf ngt Daten von der seriellen Schnittstelle Es wird als erstes aufgerufen danach das Filter Element und zuletzt das Oszilloskop Element Diese Abbildung zeigt eine Konfigu ration ohne direkte Verbindung zu einer Biosignal Hardware und die Ausf hrungsreihenfolge der Elemen ae te Die Signalverarbeitung dieser Konfiguration wird periodisch durch die Timer Interrupt Funktion initiiert w 2m gt Abb 6 2 Designfenster Anordnung von Elementen 2 6 7 1 Weiterleitung der Signalinformation Die Methode pass_values int port float value welche Teil der Basisklasse BA SE CL ist und somit allen Elementen vererbt wird transferiert Ausgabewerte eines Elements an alle verbundenen Elemente Pass_values ruft zu diesem Zweck die Methode incoming_data port value der betreffenden Elemente auf 116 void pass_values int port float value LEINKStruUct 7 act link for dack IINnNKS amp ou U act Fink DE x pre race Tank if tact k nk gt 220 0mn port port objects act_link gt to_object gt incoming_data act link gt ro p rt value Der Aufruf von pass_values findet in den work Methoden der Elemente statt nachdem die aktuellen Werte f r den Output
233. log des ERP Detect Elementes Das ERP Detect Element kann Segmente eines Signals aufzeichnen mitteln und im Zeitbereich mit dem kontinuierlichen Datenstrom vergleichen Die Technik der Mit telung mehrerer Versuche Trial Averaging ist eine popul re Methode in der Extrak tion von ereigniskorrelierten Potenzialen ist EKPs event related Potenzials ERPs Durch die Mittelung um den definierten Zeitpunkt des Ereignisses fallen die zuf lligen Artefakte und der Rausch Anteil des Signals mit der steigenden Anzahl von Versu chen zunehmend heraus siehe ERPs 2 1 4 1 Die L nge des Intervalls f r Aufzeichnung und Mittelung wird durch epoch length angegeben in Samples die Anzahl der Versuche f r die Mittelung durch trials to average und die Position des Nullpunktes durch pre stimulus time Der Wertebereich f r die Anzeige des aufgenommenen Signals wird vom Input Port Signal bernom men die Einstellung kann durch Rechtsklick dieses Ports ver ndert werden Durch die Schaltfl che start recording wird die Aufzeichnung und Signalmittelung gestartet In diesem Modus wartet das Element auf einen g ltigen Wert ungleich INVALID_VALUE am Input Port trigger Dieses Trigger Signal k nnte z B von ei nem Element stammen das einen Schwellwert berpr ft Threshold Element oder von einem externen Taster zur Markierung des Ereigniszeitpunktes Sobald das Trig ger Signal empfangen wurde werden die Messwerte aufgezeichnet und zum inter nen Puffer
234. logs COD eine aa E E a 110 CoO Mod l DrawW CDD a ie 112 8 5 TO MOGUL MIOCOD Tuore eree eE 112 6 6 Module der Verarbeitungselemente s snesnesnereererrerrerrnrrerrenn 113 6 7 Signalverarbeitung durch die Konfigurationselemente 116 6 7 2 Realisierung des Zeitmanagemenis 4u444snenne nenne nenne nenne nennen 117 6 8 Verarbeitung der Daten vom Biosignalverst rker 118 6 9 Implementierung der Gesichtsdetektion 22 022402220000o 120 6 9 1 Verwendete OpenCV Funktionen 200222002220020nsenennennnnennnne nennen 120 6 9 2 Initialisierung der Gesichtsposition 0s22220022400020nne nenne nenne nennen 120 6 9 3 Tracking von Gesichtsmerkmalen 22200022400020400Rnenn nenne nennen 121 6 10 Die Erzeugung eines neuen Verarbeitungselementes 121 6 10 1 Eintr ge in die Header Datei brainbay h us22440022420 nennen nenn 122 6 10 2 Erzeugung eines BenutzerdialogS u2 2z02202020020000nonnnnennnne nennen 122 6 10 3 Klassenimplementierung f r das Element 444444s0s nennen 123 6 10 3 1 Die Header Datei f r das Element rericri naniii nennen 123 6 10 3 2 Die Quellcode Datei f r das Element 220444400000000nnnnnnnnn nn nnnnnnnnnnnn een 124 6 10 4 Men eintrag zur Einf gung des Elements in eine Konfiguration 128 7 Anwendung von BrainBay ueenseensnenenen
235. lsin 2zki N ReX k Cosinuskoeffizienten ImX k Sinuskoeffizienten Die inverse DFT beschreibt die Synthese des Signals aus den Basisfunktionen N 2 N 2 x i Re X k cos 2zki N X Im X k sin 2zki N c 4 9 k 0 k 0 F r eine bessere Interpretationsm glichkeit der Signale im Frequenzbereich k nnen die Koeffizienten der Cosinus und Sinuswellen in die Polardarstellung bergef hrt werden Real und Imagin rteil werden in Magnitude und Phase umgewandelt GI 4 10 Im xm MagX k Z Re X k im X k PhaseX k arctan 1 Amplitude Phase rad Frequenz Frequenz Abb 4 7 Frequenzantwort eines Tiefpass Filters in der Polardarstellung Die Vorteile der Fourier Transformation sind ihre leichte Anwendbarkeit und ihre viel seitige Verwendbarkeit Ein Nachteil ist die starke Abh ngigkeit von Zeit und Fre quenzbereich soll ein Signal im Frequenzbereich genau untersucht werden so be n tigt man viele Samples und die zeitlichen Ver nderungen verwaschen Soll das Signal zeitlich genau analysiert werden stehen wenige Frequenzkomponenten zur Verf gung Dieses Prinzip der Unsch rfe ist zwar unumg nglich andere Transforma tionen wie die Diskrete Wavelet Transformation bieten hier durch dynamische Skalie rung der Basisfunktionen dennoch Alternativen Die Fast Fourier Transformation FFT erm glicht eine weitaus schnellere Dekomposition des Signals und bestimm ten Voraussetzungen etwa muss die Anzah
236. m seriellen UART Interface Universal Asynchronous Receiver Transmitter Das Programm des Mikro controllers die Firmware steuert die A D Wandlung der Messwerte und ihre Aufbe reitung in Pakete des U bertragungsprotokolls Die Datenpakete werden ber das UART Interface des Controllers ausgegeben Eine galvanische Trennung durch Op tokoppler dient zum Schutz vor Kurzschl ssen ber die Datenleitungen Die Opto koppler halten die Isolationsbarriere bei Spannungen von 2 500V eine Minute bei 480V kontinuierlich Ein Schnittstellenkonverter Max232 hebt die Signalpegel vom TTL Level 5V auf den Pegel der RS232 Schnittstelle 10V an Dadurch k nnen die Pakete an die serielle Schnittstelle eines Endger tes PC PDA bermittelt wer den GRIO3 Ylicrocortroller Opto coupler Senda port driver single chip com Alter lt I 1 g I 1 m multiplexer channel selecto F rom amplifiers Abb 3 19 Blockdiagramm der Digitalisierung und Daten bertragung zum PC Die Firmware f r den Mikrocontroller wird am PC in der Programmiersprache C GNU AVRGcc entwickelt dann in Maschinensprache f r den AVR bersetzt und in das EEPROM des Chips bertragen Alle daf r n tigen Entwicklungstools orientieren sich am ANSI C Standard und k nnen ber http www avrfreaks net kostenlos be zogen werden Die Ubertragung in den Mikrocontroller kann mit dem STK200 Interface ber den Parallelport des PC oder mit dem STK500 Interface b
237. magnetische Zusammenh nge wurden dabei durch die Entdeckung und Erfor schung bioelektrischer Ph nomene gewonnen Bioelektromagnetismus ist daher eine interdisziplin re Wissenschaft welche Erkl rungsmodelle aus verschiedenen Berei chen der Naturwissenschaft kombiniert und diese durch ihre Erkenntnisse auch stark beeinflusst hat Bioelektromagnetismus stellt heute ein vielf ltiges Gebiet der For schung dar das durch die kosteng nstige Verf gbarkeit leistungsstarker portabler Mikroelektronik zahlreiche Anwendungen in unserem Alltag gefunden hat Bioelektromagnetismus behandelt prinzipiell elektrische magnetische und elektro magnetische Ph nomene Die Verbundenheit dieser Erscheinungsformen wird durch die Maxwell Gleichungen symbolisiert welche den Zusammenhang von zeitlich ver nderlichen elektrischen und magnetischen Feldern zeigen Aufgrund der verschiedenen Frage und Aufgabenstellungen kann das Gebiet des Bioelektromagnetismus auch in folgende Bereiche gegliedert werden MAL95 Messung von elektromagnetischen Feldern des biologischen Gewebes Hierzu z hlen EKG EEG die Messung von Muskelaktivit t EMG sowie das Magnetenzephalogramm MEG Diese Messmethodik wurde vor allem im 20 Jhdt stark verbessert sodass Untersuchungen der Eigenschaften biologi schen Gewebes auf organischem sowie auf zellul rem und sub zellul rem Ni veau m glich wurden Die gewonnen Daten finden Anwendung in Physiologie und Pathologie in der Molek
238. mbran in HELO6 Abb 1 9 Wanderung kleiner lonen durch die Membran in HELO6 Abb 1 10 Na K Atpase in Dr Gunnar Seemann in SEE06 Abb 1 11 Verlauf des Aktionspotenzials Online Ressource 12 8 2006 http content answers com main content wp en thumb 0 02 300px Action potenzial png Abb 1 12 Aktivierung und Inaktivierung des Natriumkanals Online Ressource 1 6 2006 http www ibt etec uni karlsruhe de postscript bsfss2003t2 pdf Abb 1 13 Aktivierung und Inaktivierung des Kaliumkanals Online Ressource 1 6 2006 http www Ibt etec uni karlsruhe de postscript bsfss2003t2 pdf Abb 1 14 Neuromuskul re Endplatte Online Ressource 6 8 2006 http www med uni marburg de stpg fb20O ltinst molneurophys SemMuskel211105LissKurz pdf Abb 1 15 Transmitterfreisetzung an der Neuromuskularen Endplatte Online Ressource 6 8 2006 http www med uni marburg de stpg fb20O ltinst molneurophys SemMuskel211105LissKurz pdf Abb 1 16 Zentrales und peripheres Nervensystem Online Ressource 10 9 2006 http www biologyreference com images biol_03_img0336 jpg Abb 2 1a Ableitung des EMG vom rechten Untersarm in DAHO5 Abb 2 1b Messung einer Muskelkontraktion in DAHO5 Abb 2 2 Ableitepunkte des fazialen EMG in DAHO5 Abb 2 3 EMG Aufbereitung durch Mittelung von Absolutwerten in DAHO5 Abb 2 4 Die drei Hauptachsen der EKG Ableitung nach Einthoven bzw nach Goldberger in CAR06 Abb 2 5 Die sechs Ableitepunkte an der
239. mentes un 161 Abb 7 48 Parameterdialog des Documentation Elementes 2 2200022220000202000onnnnnnennnnnne nen 161 Abb 7 49 Parameterdialog und Ausgabefenster des Ballgame Elementes u nn 162 Abb 8 1 Ausgabefenster einer Konfiguration f r das Neurofeedback von EEG Frequenzb ndern 163 Abb 8 2 Elemente der Konfiguration f r das Neurofeedback von EEG Frequenzb ndenn 164 Abb 8 3 Filterantwort des 50Hz Bandstop ResonatorsS uss0242040000nnnennnnnnnnnnnnnnnnnennnnn nennen 164 Abb 8 4 3D Darstellung der Frequenzb nder 4s4u4s0000000000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnen 164 Abb 8 5 Ausgabefenster der Konfiguration f r das optoakustische EKG Feedback 165 Abb 8 6 Elemente der Konfiguration f r das optoakustische EKG Feedback unnen 165 Abb 8 7 Thresholds zur Erkennung der R Zacke im EKG 2244444sHHsnnnnnnnnnnn ne nnnnnnnnnnnn ne nnnnnnnen 166 Abb 8 8 Einsatz von EMG Feedback zum Training der Muskelkontraktion 000002002000 166 Abb 8 9 Elemente der Konfiguration f r das Muskeltraining 244000022000000RRnnnnnnn nennen 167 Abb 8 10 Filtereinstellung f r die Muskelamplitude u s 4224400000000nnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnennnnnn 167 Abbildungsverzeichnis Fortsetzung Abb 8 11 Darstellun
240. mera Maus Wie beim Test der Bildschirmtastatur zeigte sich das System prinzipiell f r einen Ein satz geeignet Abermals zeigte sich die Notwendigkeit benutzerfreundlicher Einstell m glichkeiten f r verschiedene Genauigkeitsstufen Ein Problem entsteht durch das Abdriften des Lukas Kanade Algorithmus weil dadurch manchmal der Kontaktpunkt zu Nase oder Kinn in zu gro er Weise verschoben wird Hier sollte die Plausibilit ts pr fung der Punkte verbessert bzw ein kontinuierlicher Algorithmus zur Adaption verwendet werden Als gut zu bewerten ist die Adaption des Systems auf ver nderli che Lichtverh ltnisse da sowohl die Kamera bei schlechter Beleuchtung noch gut funktioniert als auch der LK Algorithmus auf Ver nderungen der Lichtst rke adap tiert 9 5 Zusammenfassung und Diskussion Durch die Kombination von BrainBay mit den Biosignalverst rkern des OpenEEG Projektes steht ein sehr flexibles System zur Messung und Auswertung von Biosig nalen zu einem Preis von weniger als 200 Euro zur Verf gung Die Software eignet sich f r die Analyse von EMG EEG EKG und EOG Daten und erlaubt eine quan titative und multimediale Darstellung von Messwerten f r das Biofeedback in Echt zeit Durch zus tzliche Sensoren k nnen auch die elektrodermale Aktivit t EDA Atemaktivit t K rpertemperatur oder Parameter wie Lage nderung und Beschleuni gung gemessen und verarbeitet werden Die Signale werden durch die Anordnung von Verarbeitungs
241. mic Link Libraries DLLs 100 6 3 Prinzipien der Windows Programmierung 2242240024022n en 100 6 3 1 Nachrichtenverarbeitung in einer Windows Applikation 101 6 3 2 Behandlung von Nachrichten Der Window Handler 101 6 4 Die Basisklasse f r BrainBay Elemente u22402402ese en 103 6 5 Quellcode Module unu002200nnennennnnnnnnnnnn nenn ann nnnn nenn nnn nennen 104 6 5 1 Header Datei Base h uunuunsensennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nun nun nennen 104 6 5 2 Header Datei Brainbay h us2uuusnsnnenennenennenennenennenenne nenne nenne nennen 104 OOO MOJU Brn Day EBD 104 viii 69 2 VOAU G ODAls EBD ee ee rs 104 6 5 4 1 Felder und Variablen f r die Element Verwaltung uuss24204200002000nnnn ee nnennnnee een 104 6 5 4 2 Bezeichner f r Instanz Haupt und Dialogfenster uus 2044000444Rne Rn ennn nennen 105 6 5 4 3 Globale Datenstrukturen Struktur f r serielle Schnittstelle Timing 105 6 5 4 4 Bezeichnungen f r die Elemente und Verbindungen u 2444s40nnn nenne nnnnnnenn een 105 6 5 4 5 Funktionsdefinitionen im Modul Globals cpPp uus22222000ennnnnnnnnnnnnnnnnnnenennnnne nenn 105 6 5 5 Modul FeS OPOS suensnuteeeeseeeesnieee 107 6 5 0 MOU 7 27 CDD2 erran E 109 Soer Modu TORC COO naar ns a 110 6 5 8 M d l Dia
242. n Hemmpotenzials reagiert erweisen sich andere als me dikamentenresistent und es bedarf anderer Therapieformen Da in mehreren Studien kurz vor und w hrend eines epileptischen Anfalls eine erh hte kortikale Negativie 36 rung festgestellt wurde welche einer gesteigerten Erregbarkeit entspricht besteht im Biofeedbacktraining Langsamer Hirnpotenziale slow cortical potenzials SCP die M glichkeit eine geeignete Gegenstrategie zu entwickeln Erlernt der Proband bzw die Probandin durch das Feedback des EEG Signals bewusst eine Positivierung der langsamen Potenziale herbeizuf hren so kann diese Technik bei Anzeichen eines Anfalles eingesetzt und damit die Anfallswahrscheinlichkeit vermindert werden STROO 2 3 7 2 Neurofeedback bei Aufmerksamkeitsst rungen Die Aufmerksamkeits Hyperaktivit tsst rung Attention Deficit Hyperactivity Disorder ADHD tritt vermehrt bei Kindern und Jugendlichen auf und u ert sich in Lern und Konzentrationsschwierigkeiten oder Abwesenheit Die Ursache ist oft eine Unterver sorgung mit dem Neurotransmitter Dopamin und eine daraus resultierende gest rte Informationsweiterleitung im Gehirn die Reize k nnen nicht angemessen gefiltert werden und das Kind wirkt impulsiv tr umerisch abwesend oder unaufmerksam Im quantitativen EEG QEEG zeigt sich ADHD meist durch stark ausgepr gte Frequenzen im Theta Bereich 4 7 Hz und wenig Aktivit t im Beta Bereich 13 21 Hz siehe Abb 2 26 Es gibt aber
243. n com brain athlon 87 4 7 5 1 FidView Filter Designer ISDL_app JOE REQ RESPONSE zoom 4 freq OHZ to 32Hz response 7 N an EEE ea i k A PEN en seen Be E TIHE RESPONSE zoom B 25 tine 0 546885 to Os response 0 026253 to a i i i 1 i i j 1 CURSOR sanple 1 tine ONBBIIBEESE values lS42520 007 Un 2 54252e 007 Abb 4 15 FidView Filter Designer von Jim Peters FidView ist eine von Jim Peters programmierte Software zur einfachen Erstellung digitaler Filter FidView baut auf der OpenSource Software mkfilter von Toni Fisher auf und ist ebenfalls als OpenSource verf gbar FidView erlaubt die Konfiguration verschiedener Arten von Filtern Bessel Butterworth Chebyshev BandStopp IIR Frequenz und Impulsantwort werden graphisch dargestellt Ein n tzliches Feature ist die Bereitstellung eines C Sourcecodes f r die Filterfunktion der generierte Filter kann somit leicht in eigene Programme bernommen werden FidView verwendet Funktionen der SDL Bibliothek und ist auf Windows und Linux lauff hig PETO3 4 7 5 2 BWView Wavelet EEG Viewer BwView ist eine OpenSource Applikation von Jim Peters zur Analyse von Mehrkanal Biosignaldaten mittels Wavelets Der lt lt lt _ _ _ ____ Algorithmus basiert auf einer FFT Pla Sex beschleunigten Faltung mit w hlbaren Filterkernen Jedes Wavelet wird
244. n der milit rischen Forschung Radar und Sonartechnologie in der Geologie Auffindung von Erd l quellen und in der medizinischen Bildgebung ben tigt und angewendet wurden Durch den Siegeszug der Personal Computer in den 80er und 90er Jahren er ffnete sich ein weites Feld f r die digitale Signalverarbeitung im kommerziellen Markt E lektronische Ger te wie CD Player Mobiltelefone oder Videokonferenz Systeme w ren ohne Signalaufbereitung oder Kompressionsverfahren nicht in dieser Form reali sierbar Unter einem Signal versteht man grunds tzlich die Beziehung zweier Parameter z B bei einer elektrischen Messung die Beziehung von Zeit und gemessener Spannung Die Zeit w re in diesem Fall die unabh ngige Variable x Achse Dom ne bzw Ab szisse die Spannung w re die abh ngige Variable y Achse Amplitude bzw Ordi nate Wird die Zeit auf der x Achse aufgetragen spricht man von einer Darstellung im Zeitbereich time domain Weitere gebr uchliche Darstellungsformen f r Signale sind der Frequenzbereich frequency domain und der Ortsbereich spatial domain Bei der digitalen Signalverarbeitung in Computern liegt das Signal nach der Messung stets als Zeitreihe diskreter Werte vor siehe 3 1 5 Filterung und Digitalisierung In der Auswertung biologischer Signale nimmt die digitale Signalverarbeitung einen wichtigen Stellenwert ein Eine aussagekr ftige Analyse der Werte wird nur durch die Berechnung von Kennzahlen durch das H
245. n mehrere Positionen monopolar gegen eine gemeinsame Referenz abgeleitet besteht die M glichkeit bipolare Ableitungen rein rechnerisch aus den monopolaren Messergebnissen zu gewinnen FEH89 3 1 2 Der Elektrode Haut Kontakt An der Elektrode wird das elektrische Potenzial das durch Ionenbewegungen im Gewebe entsteht aufgenommen und durch Elektronenbewegung weitergeleitet Bei der Oberfl chenableitung ist die Haut die Kontaktstelle zwischen Elektrode und K r per Der Widerstand an dieser Kontaktstelle setzt sich aus dem Widerstand der Haut der Kapazit t der Haut und dem Widerstand des Elektrode Haut Kontaktes zusammen Da der Widerstand kapazitive Anteile hat spricht man von einer Impe danz Die Impedanz sollte f r eine hochwertige Messung m glichst niedrig gehalten werden Durch geeignete elektrolytische Gels und Hautreinigung mittels Alkohol kann der Elektrode Haut Kontakt bedeutend verbessert werden K rper Elektrode elektrolyt RHAUT Elektronenleitung lonenleitung Abb 3 3 a Der Elekrode Haut Kontakt b elektrisches Ersatzschaltbild 53 Zur Ermittlung der Impedanz wird der Widerstand bei einem Wechselstrom geeigne ter Frequenz z B 14 Hz gemessen Die Impedanz sollte f r eine hochwertige Mes sung etwa 10 kOhm nicht bersteigen 3 1 3 Noise und Artefakte Noise Rauschen und Artefakte sind unerw nschte St rungen der Messung Diese k nnen ihren Ursprung in elektrostatischen oder elektromagnet
246. nal PE Generator hius Scope File Edit Simulation Format bole werden Signalwege festgelegt und die aktuelle Konfiguration Beeren 18 bleibt bersichtlich und intuitiv er fassbar Viele der im Anforde rungskatalog beschriebenen Auf gaben k nnten mithilfe der Simu Abb 5 2 Grafisches Design der Signalverarbeitung in Simulink link Umgebung realisiert werden dennoch verbleiben wie auch bei anderen kommerziell erh ltlichen Produkten eini ge Nachteile durch die eine Eigenentwicklung sinnvoll erscheint Dazu z hlen relativ hohe Lizenzgeb hren mangelnde Verwendbarkeit im HCI oder Biofeedbackbereich Inflexibilit t bez glich der Integration hardwarenaher Systemerweiterungen und die niedrigere Ausf hrungsgeschwindigkeit 5 2 1 Konzept f r den Aufbau von Signalverarbeitungskonfigurationen Es erweist sich als zielf hrend die verschiedenen Funktionen in frei kombinierbare Einheiten zu kapseln die bei der Erstellung einer konkreten Verarbeitungskonfigura tion durch den Benutzer die Benutzerin eingef gt verbunden und abgestimmt wer den k nnen Diese Einheiten werden im Folgenden als Konfigurationselemente kurz Elemente bezeichnet Bei einer geeigneten Form der Implementierung kann die Anordnung sowie Parametrisierung der Elemente auch w hrend der Ausf hrung der Signalverarbeitung durchgef hrt werden sodass die Auswirkungen der Anderun gen sofort sichtbar werden und eine Einstellung der gew nschten Systemeigenschaf
247. nd Beschleunigungssensoren Wiebe kombiniert in einem System zur Maussteuerung EOG Elektroden und Beschleu masse Elektrode nigungssensoren in einer Brille Das EOG wird am Brillenb gel und an der Kontaktstelle der O 1 f Brille zur Nase abgenommen die Elektroden an Sigmal und m ssen also nicht extra befestigt werden Durch m Ma ee die Kombination der EOG und Beschleuni smesa vo ER gungswerte wird die Blickrichtung errechnet das System erlaubt die Auswahl der Bewegungsrich Abb 2 31 EOG Elektroden und Beschleuni tung des Cursors und die Erzeugung von Maus i a e EN klicks siehe Abb 2 31 WIEO3 2 4 4 4 Kombination von EMG und EOG MindMouse Ein kommerzielles Produkt zur Verwendung von EMG und EOG als Mausersatz ist die MindMouse der Firma Cyberlink Brain Actuated Technologies http www brainfingers com Hier werden mittels Stirnband Signale der Gesichts muskulatur bzw langsame Potenzial nderungen durch das EOG abgenommen durch einen Verst rker vorverarbeitet und von der Software Brainfingers analysiert Die Kontrollinformation wird auch hier aus den Frequenzkomponenten der Signale gewonnen die Kontrollf higkeit wird durch das Training mit Feedbackspielen ge wonnen Als zus tzliches Kontrollsignal dient das frontal abnehmbare EEG Der Preis f r das System betr gt etwa 2 000 Euro 2 4 4 5 Res mee EMG und EOG Systeme Ein allgemeines Problem von EMG und EOG Systemen ist die notwendige Fixierung v
248. nd nur wenige Ka n le z B ein einziger Die Isolierung dieses kleinen St cks wird durch eine Glaspi pette erreicht Betrachtet man den Verlauf des Stromes so sieht man abrupte Spr nge zwischen zwei verschiedenen Niveaus Der Kanal ffnet und schlie t sich Der gemessene Strom liegt in der Gr enordnung von einigen Picoampere pA Zu dessen Messung ist daher ein sehr empfindlicher Messverst rker notwendig 2 1 2 Physiologische und anatomische Grundlagen Aufbau und Funktion der Nervenzelle Die Nervenzelle Neuron ist die strukturelle Einheit des Nervensystems Neuronen kommunizieren untereinander oder mit Effektorzellen durch elektrochemische Pro zesse die durch Konzentrationsunterschiede von lonen im Intra und Extrazellul r raum erm glicht werden gt Dendriten Axon Myelinschicht NEO rt gt a Sen 14 N End M kn pfchen 2 Abb 1 6 Schematische Darstellung einer Nervenzelle Eine Nervenzelle besteht aus dem Zellk rper Soma oder Perikaryon welcher den Zellkern Nucleus und die DNA beinhaltet den Dendriten die dem Empfang von Impulsen anderer Nervenzellen dienen und dem Axon Neurit dem Hauptfortsatz des Neurons zur Weiterleitung von Impulsen siehe Abb 1 6 Das Axon kann eine L nge von einigen Millimetern bis zu einem Meter haben Das Axon ist durch die Myelinschicht welche von den Schwann Zellen produziert wird umgeben Die Myeli nisierung dient einer schnelleren sprunghaften saltatorischen
249. neiden wie etwa Butterworth oder Chebyshev Filter daf r aber im Zeitbereich die wenigsten Verf lschungen durch berschie en oder Nachschwingen verursachen 3 1 6 Die Eichung der Messkette Durch die Verwendung mehrerer Verst rkerstufen und Filter ist die theoretische Auswirkung auf die Signalquelle praktisch zu berpr fen Eine geeignete Methode ist die Eichung des Systems durch ein Kalibrier Signal bekannter St rke Hierbei wird ein Rechtecksignal mit regelbarer Frequenz und Amplitude durch einen Signalgene rator erzeugt und die Auswirkung von Verst rkung und Filterung kann durch die Im pulsantwort berpr ft werden Eine genaue Eichung ist Voraussetzung f r den Erhalt richtiger und berpr fbarer Messwerte 58 3 1 7 Patientenschutzma nahmen und Normen Vor allem bei medizintechnischen Ger ten ist eine Sicherheit von Patientinnen und Patienten oberstes Gebot und so stellen auch die Normen und Richtlinien f r die Schutzma nahmen in Biosignalverst rkern hohe Anforderungen an Design und Bau teile Die Zulassung zum medizinisch gepr ften Ger t ist teuer und langwierig die Checklisten umfassen hunderte Seiten Die relevanten Regelwerke sind e die internationale Basisnorm IEC 60601 1 f r Medizinische Elektrische Systeme e die DIN EN ISO 14971 Risikomanagement f r Medizinprodukte e die Richtlinie 89 336 EWG Elektromagnetische Vertr glichkeit e die deutsche VDE 0750 bzw VDE 0752 Es werden verschiedene Schutzkla
250. nen Soundeditor f r WAV Dateien importiert und bearbeitet werden 7 6 3 5 Das Oscilloscope Element Das Oscilloscope Element ist wichtig f r die Anzeige aktueller Signalwerte Die an geschlossenen Signale werden in einem separaten skalierbaren Fenster dargestellt Ein Datengitter das den Wertebereich der Signale und die aktuelle Sekunde der Session Zeit zeigt kann durch Auswahl der entsprechenden Optionen eingeblendet werden Durch die Farbwahlfelder k nnen Hintergrundfarbe Signalfarbe und Schrift farbe gew hlt werden 199 Drawing Interval 4 1 Samples Display Gain A 100 Colors x show seconds Signal Chm E Grid C Captions Background x zhow grid x zho mid line x clip to grid s di ur Signal Generator 2 00 u 500 00 u Abb 7 40 Parameterdialog und Ausgabefenster des Oscilloscope Elementes Der Schieberegler Display Gain dient zur Verst rkung oder D mpfung aller ange schlossenen Signale Individuelle Vergr erungen k nnen durch Anderung des Wer tebereiches am Input Port des entsprechenden Signals durchgef hrt werden Durch den Schieberegler Drawing Interval wird die Zeichenperiode des Oszillloskops fest gelegt wird 1 gew hlt erfolgt die Darstellung jedes eintreffenden Wertes 4 zeigt nur jeden vierten Wert usw Durch die Auswahl der Option group werden alle ange schlossenen Signale berlagert und in einem Zeichenfeld angezeigt was einen di re
251. ng vom Auswerteprogramm er lernt SUT92 Ein neueres System von Gao 2003 kann 48 90 Symbole unterschei den und bei einer Erkennungsrate von 87 durchschnittlich alle 4 Sekunden eine Auswahl treffen Das ergibt eine der h chsten bisher berichteten Transferraten f r BCls von etwa 60 90 Bits pro Minute GAO03 VEP BOls bieten die Vorteile einer schnellen Erlernbarkeit und Anwendbarkeit eine gute Erkennungsrate und einen relativ hohen Datendurchsatz Ein Nachteil ist dass die Konzentration auf eine Bildschirmstelle willk rlicher Augenbewegungen bedarf und falls diese noch vorhanden sind k nnten etwa auch Gaze Tracking Systeme eingesetzt werden Allerdings ist diese Annahme kontrovers diskutiert da die M g lichkeit der Beeinflussung von SSVEPS durch eine reine Fokussierung der Aufmerk samkeit auf die entsprechenden Stimuli ohne die Blickrichtung zu ndern schon von Hillyard und Kollegen gezeigt wurde HILO2 48 2 5 4 P300 BCls Bei dieser Form von BCI wird die P300 Komponente im EEG ausgewertet Diese tritt bei der Unterscheidung von Reizen an der Schwelle zur Bewusstwerdung auf etwa 300 Millisekunden nach der Pr sentation des Reizes siehe 2 1 4 1 EKP Durch die Verwendung eines geeigneten Paradigmas k nnen Buchstaben oder Symbole aus gew hlt werden P300 speller Hierbei werden in einer Matrix eine Reihe von Buch staben oder Symbolen pr sentiert zB 5x5 oder 6x6 Die Zeilen bzw Spalten der Matrix leuchten zuf llig a
252. nnen 56 3 1 4 Der Instrumentenverst rker 220220024022002n0 san nnnennnnnnnnnennnnnnennnnnn nennen 56 3 15 FIeErUNd Una Dialtalsier ng ana 57 3 1 6 Die Eichung der Messkette u022200224002000000nn nenne nenne nenne nenne nennen 58 3 1 7 Patientenschutzma nahmen und Normen ueeeeeeesssssnnnnnnnnnnnnnnnenennne nenn 59 3 1 7 1 Die wichtigsten Anforderungen an die Hardware uuu02044000nnennnennennne nennen 59 3 1 7 2 Kennzeichnung der zertifizierten Medizintechnikger te 440004444ee nennen 59 3 2 Kommerzielle Biosignalverst rker ein berblick 60 3 2 1 1V0rax0n MyOlrace200 aaa een 60 3 2 2 Mindpeak WaveRider 2220240020002000nn0nnn nano ann nnn nenn nenn anne nnnnnnnnnnnnenenn 61 3 2 3 BralHMasSIEr AUaNUS sirita naai a 61 3 2 4 SYIMIOD EEG VerstarkKe nocie EEE EA E 62 3 2 5 LEONU OO EEG VErSTAKO seroren corer onore reado ogis 62 92 6 VoBamD en 63 3 2 7 Synamp EEG Yelsl rker nannte TEENE EE EE NEEDE ARENE 63 3 3 Freie Hardware Das OpenEEG Projekt 200220022nuenenenn 64 3 3 1 Der ModularEEG Verst rker usssuessesssessnennnennnnnnnnnnnnnennnennn nme nennen 64 3 3 1 1 Die Verst rkerplatine des ModularEEG das Analog Board uss0nnss nennen 65 3 3 1 2 Die Hauptplatine des ModularEEG das Digital Board u 04sssenne nennen 65 3 3 1 3 Spezifikationen des Modular EEG masenna a a
253. nnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 71 Abb 3 25 Bluetooth Modul mit SPP uu02222000022nnnennsnnnennnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnn 72 Abb 3 26 VDrive Modul von FTDI ss 2222222000000RBnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn 72 Abb 4 1 Station re und nichtstation re Siganale uuuss02004uuusennennnnnennnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 75 Abb 4 2 Histogramm und Wahrscheinlichkeitsdichte 22000024044000BRnennnn ne nnnnnnnnn nennen 75 Abb 4 3 Frequenzantwort von Chebyshev Butterworth und Bessel Filtern 44000444440BR gt 76 Abb 4 4 Sprungantwort von Chebyshev Butterworth und Bessel Filtern u000444440 RR 76 Abb 4 5 Auswirkungen von Tiefpass und Hochpassfiltern 22400002004400000R0nnnnn ne nnnnnenne nenn 78 Abb 4 6 Diskrete Fourier Transformation u022220000200000ennnnnnennnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nennen Eia Eere 80 Abb 4 7 Frequenzantwort eines Tiefpass Filters in der Polardarstellung 44ss004404 4400 81 Abb 4 8 Aufbau eines Neuronalen Netzes mit 3 Schichten bzw einer einzelnen Unit 82 Abb 4 9 Klassifikation mit Support Vektoren uus22224400000n0nnnnnennnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnn 83 Abb 4 10 Einzelne Merkmale eines Haar Classifiers u0ss24024
254. nnn anne 151 16 2 14 Das MiXxer Element all 151 1 6 2 15 Das Sample Hold Elemeht 2 a a 152 7 6 2 16 Das Standard Deviation Element s04222420000000n0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnn 152 1 6 2 17 Das Threshold Elementen a EIER i 152 7 90 98 SIQNAlZ BIO a ee een nkenee 153 1 08 3 1 Das AVUJ Player EIEMENT ar ee nee 153 1 09 32 Das COM WIler EIEMENL ee ee 154 7 6 3 3 Das EDF FileWriter Element 0022202000000800 0000000 nnnnnnonnnnnnnnnnnnnn nennen nennen 154 7 6 3 4 Das File Writer Element 2 2200222000200000nnnnonnnnn nenne nnnnnennnnnennnnn nenne nnnnnennnnnennnn 155 7 0 3 5 D48 Os amp 1ll0SC0pe Element a ea 155 7 6 3 6 Das Particle Animation Element 2 2420022200000020nnn nennen nnnnnnennnnnnn nennen nennen 156 7 6 3 7 Das Midi Output Element 4uu0s02220000000nnennnnn nn nnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn nn 157 7 6 3 8 Das Mouse Controller Elemernt 440ss022004000RRnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnn nn 158 7 6 3 9 Das Sound Player Element uuuuuss400000000nnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnenennnne nen 159 7 6 3 10 Das TCP Sender Element uus02420440000000nnnnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnne nn 160 7 6 3 11 Das Media Player Element uuss444420000000neRnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnne nen 161 7 6 4 Zus tzliche Elemente
255. nnn nennen 17 Abb 2 4 EKG Ableitung nach Goldberger bzw nach Einthoven 22224000s0200nnnnnennnnnnnneennennnnneennn 18 Abb 2 5 Die sechs Ableitepunkte an der Brustwand nach Wilson 22220002222000022nnnennnnnneennnne 18 Abb 2 6 Der Verlauf der Erregungsausbreitung im Herzen uuus02222400000nnennnnnennnnnnnnn nennen nenn 19 Abb 2 7 Die charakteristische Form des EKG us022224200000000nnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 19 Abb 2 8 Die Entstehung des EOG uuussssnnssssnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 20 Abb 2 9 Messung des EOG horizontale Blicke 2 222000022222000ennnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnneeenn 20 Abb 2 10 Elektrodenpositionen nach_dem 10 20 System uuruuuusseneenneesnnnennennnnnnnnnnnnennnnnnnnennenenn 21 Abb 2 11 Desynchronisation des Alpha Rhythmus durch das Offnen der Augen uss222242uee 00 22 Abb 2 12 Darstellung der verteilten Aktivit t beim QEEG 22224200s0220nnnnnennnennnnnnnnnnnnnnnnennnnnn nenn 22 Abb 2 13 Die P300 Komponente us00422000000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 23 Abb 2 14 ERD duch Bewegungsvorstellung 2 224000044204000Rnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn 24 Abb 2 15 Langsame Potenziale bei der Vorbereitung einer Bewegung uusss4424sn
256. nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 138 Abb 7 10 Wechsel der Position innerhalb einer Archivdatei mithilfe der Statuszeile 139 Abb 7 11 Parameterdialog des Signal Generator Elementes 244444440BBnnnen nennen nnnnne nn 139 Abb 7 12 Parameterdialog des Constant Elementes 24444400000000000nnnnn nn nnnnnnnnennnnn nennen 140 Abb 7 13 Parameterdialog des EDF FileReader Elementes s 4400444400sBnnnnn nennen nennen 140 Abb 7 14 Laufender Neuroserver mit aufgebauter Verbindung 4444400nn0nnnnnnnnnnennn nennen 141 Abb 7 15 Parameterdialog des TCP Receive Elementes 4000s0022004000RRnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnenennn 141 Abb 7 16 Parameterdialog des Camera Elementes Live Bild 20000222000022220enennneeenenn 142 Abb 7 17 Parameterdialog des Skindialog Elementes 244000024200000RRnnnnnnn ne nnnnnnneennnenennn 144 Abb 7 18 Parameterdialog des Averager Elementes us04202400000000nnnnnnnnnnnnnnnnnennnne nennen 144 Abb 7 19 Parameterdialog des Comparator Elementes 24400s02000000nRnnnennnnnennnnnnnenennennnnn 144 Abb 7 20 Parameterdialog des Correlation Elementes uus00nn0esnnnnnnnennnnnnnnnnnnnennnnnnnn 145 Abb 7 21 Parameterdialog des Counter Elementes 04444444HBBnnnnnn nennen nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 145 Abb 7 22 P
257. nsoren eine Alternative zur Messung von Bewegungen mittels EMG darstellen 28 2 3 Biofeedbacktherapie und ihre Anwendungen Viele Biosignale des gesunden menschlichen Organismus sind willk rlich beeinfluss bar wie etwa die Atemfrequenz oder Bewegungen der Skelettmuskulatur Bei ande ren Biosignalen gelingt dies nicht oder nur durch entsprechendes Training Beim Bio feedback werden die Messwerte von Vitalparametern optisch oder akustisch darge stellt um eine willk rliche Beeinflussung zu erleichtern In der Biofeedbacktherapie wird versucht k rperliche Funktionen durch Lernprozesse in therapeutisch wertvoller Form zu beeinflussen So k nnen Ziele wie Entspannung die Vermeidung von Fehl haltungen und U berreaktionen oder die Aktivierung von Vitalfunktionen oft ohne den Einsatz von Medikamenten erreicht werden Die Biofeedbacktherapie eignet sich zur Unterst tzung einer Physio oder Psychotherapie und bringt in machen Bereichen Erfolge wo traditionelle Methoden versagt haben Sie ist in den USA bereits ein weit verbreiteter Ansatz zur Heilung bei bestimmten Indikationsgebieten und findet in Eu ropa zunehmend Verbreitung Biofeedback zeichnet sich durch hohe Akzeptanz bei Patientinnen und Patienten sowie durch die weitgehende Vermeidung von Nebenwir kungen aus Die f r das Biofeedback erforderlichen Apparate wie Messverst rker oder Computer dienen hier nur zum Erlernen der Selbstkontrolle ber die gew nsch ten K rperfunktionen
258. nterscheidet je nach Positionierung der Elektroden die monopolare von der bipolaren Ableitung Bei bipolaren Ableitungen werden zwei Elektroden an elektrisch aktiven Punkten der zu messenden Region z B bei einer EEG Messung am Kopf angebracht bei der monopolaren Ableitung befindet sich eine Elektrode an einem elektrisch inaktiven Bereich etwa am Ohrl ppchen indifferente Elektrode Dies be wirkt substanzielle Unterschiede im Resultat der Messung Bei einer bipolaren Ablei tung l schen sich gleichphasige Signalanteile aus w hrend sich gegenphasige An teile verst rken Zwei Wellen mit derselben Frequenz Amplitude und Phase w rden sich bei einer bipolaren Ableitung g nzlich ausl schen Die bipolare Ableitung zeigt also vor allem Fluktuationen durch Verschiebungen in den Phasenanteilen der Sig nale 52 J jenphasig gleichphasig YY Bipolar R L Wo n RA at il N T m 1 MMM Monopolar L MANYA urn MM A Ma un N MURAU ANIN Kat 1 sec 10 uY Abb 3 2 Unterschiede zwischen monpolarer und bipolarer Ableitung FEH89 Bei der monopolaren Ableitung wird die Aktivit t gegen ber einem kaum ver nderli chen Potenzial gemessen wodurch Ausl schungs oder Verst rkungseffekte ver mieden werden Allerdings werden bei gr erer Entfernung zur indifferenten Elektro de auch Signalquellen in die Messung einbezogen die zwischen den beiden Elektro den liegen was oft unerw nschte Artefakte bewirkt Werde
259. nth lt die Definitionsdateien und grafischen Ressourcen f r Frei form Benutzerdialoge des Skindialog Elements ini und bmp Dateien 7 1 4 Einrichten der Applikation Wenn BrainBay zum ersten Mal gestartet wird ffnet sich das Optionen Fenster au tomatisch Normalerweise wird es durch den Hauptmen eintrag Options ge ffnet 131 a Im Bereich Communication k n nen die Standardwerte f r die Communication e 1 Samplerate und die Werte f r die serielle Verbindung mit der Amplifier Protocol ModulsrEE 6 P2 Biosignal Hardware eingestellt COM Pot COMS connected Baud Rate 57600 werden Die Samplerate gibt die n Frequenz f r die Signalverarbei en en tung im Programm vor Zur Ver wendung des ModularEEG Ver Midi Audio Output st rkers wird eine Samplerate enabled Devices Microsoft GS Wavetable SW Synth von 256Hz eingestellt Sn Der MonolithEEG Verst rker add Midi Device Microsoft 58 wavetablesw ynhn verwendet je nach Einstellung Sampleraten bis zu 1200 Hz Be Werden EDF Signalarchive ver v Load last design Auto run session wendet muss die Samplerate entsprechend gew hlt werden Der Bereich Amplifier Protocol Abb 7 1 Benutzerdialog f r Programmoptionen dient zur Einstellung der Stan dardwerte f r das Ubertra gungsprotokoll und f r die verwendete Biosignal Hardware Je nach Ger tefirmware ist hier P2 P3 oder P21 auszuw hlen Weiters wird hier der standardm ig verwen dete Schnit
260. on Elektroden zur Signalabnahme Obwohl hier schon viele Ideen erfolgreich umge setzt wurden etwa aktive Elektroden ohne Kontaktgel oder elastische B nder mit Elektroden zur einfacheren Befestigung stellt die Applikation der Elektroden und der oft mangelnde Tragekomfort bei dauerhafter Verwendung einen Nachteil gegen ber ber hrungslosen Systemen dar Die zielgerichtete Steuerung eines Cursors ist mit EMG Systemen nur langsam bzw in mehreren Schritten m glich daf r erfolgt die Erkennung der Muskelpotenziale weitgehend zuverl ssig sowie unabh ngig von der Position des Computerbildschirms und die Verwendung ist meist leicht erlernbar EMG Signale eignen sich gut zur Steuerung einer Prothese oder Orthese wenn die verbleibende willk rliche Muskelaktivit t zur Wiederherstellung von Greif und Bewe gungsfunktionen ausreichend ist BIT06 Eine Kombination mit funktioneller Elektro stimulation erm glicht die Unterst tzung schwacher oder gel hmter Muskulatur Y AM99 Kommunikationssysteme auf Basis des EOG sind vor allem dann eine sinn volle Alternative wenn sich andere Methoden zur Blickrichtungsbestimmung nicht eignen weil z B eine Erfassung mit Kamerasystemen aufgrund von Spasmen nicht m glich ist 41 2 4 5 Interaktion durch Infrarotdetektion von Bewegungsmarkern Eine Reihe von Produkten erlaubt die Steuerung des Mauszeigers durch Kopfbewe gungen Viele Systeme basieren auf der Reflexion von ausgesendetem Infrarotlicht Dabei
261. on Kontrolle Play und Stop und die entsprechenden Hotkeys F7 und F8 dienen zum Starten und Stoppen der Session Reset stoppt eine laufende Sessi on setzt die Position von ge ffneten Archivdateien auf deren Beginn und setzt die aktuelle Session Zeit auf null Die Schaltfl che Hide Show Design bzw der Hotkey F5 kontrolliert die Sichtbarkeit des Design Fensters Die Statuszeile selbst kann durch den Hotkey F6 ein und ausgeblendet werden Falls die aktuelle Konfiguration Archivdateien beinhaltet entweder durch die Anwe senheit von EDF oder File Leseelementen oder durch eine ausgew hlte Archivdatei im EEG Element wird die Statuszeile mit der Anzeige der Archivposition und ent sprechenden Kontrollelementen f r die Archivpositionierung erweitert Durch die Schaltfl chen In und Out k nnen Einstiegs und Ausstiegspunkte in der Archivdatei definiert werden Die Schaltfl che Go To erm glicht die Positionierung der aktuellen 1337 Session Zeit auf einen bestimmten Zeitpunkt weitere Informationen siehe EEG Element 7 6 1 1 und EDF Reader Element 7 6 1 4 Archive 0 0 330 3 Goto e Abb 7 3 Statuszeile mit Informationen ber die Session und zur Kontrolle der Wiedergabe 7 3 Der Farbpaletteneditor Der Farbpaletteneditor wird durch die Men auswahl Tools gt Edit Color Palettes ge ffnet und kann zur einfachen Erstellung von Farbverl ufen und Farbfolgen verwen det werden Diese Farbpaletten werden von einigen Elementen z
262. on with USB Cameras Boston University Computer Science Technical Report No 2005 12 BIROO Niels Birbaumer Andrea K bler Nimr Ghanayim Thilo Hinterberger The Thought Translation Device TTD for Completely Paralyzed Patients IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering Vol 8 No 2 June 2000 Online Ressource 12 10 2006 http ieeexplore ieee org iel5 86 18398 00847812 pdf BIR99 N Birbaumer N Ghanayim T Hinterberger I Iversen B Kotchoubey A K bler J Perel mouter E Taub and H Flor A spelling device for the paralysed Nature vol 398 pp 297 298 1999 BRA05 G Bradsky A Kaehler V Pisarevsky Learning Based Computer Vision with Intel s Open Source Computer Vision Library 2005 Online Ressource 12 9 2006 http www intel com technology itj 2005 volume09issue02 art03_learning_ vision vol09_art03 pdf BUR93 C J Burges A Tutorial on Support Vector Machines for Pattern Recognition Bell Laborato ries Lucent Technologies in Data Mining and Knowledge Discovery 2 121 167 1998 Online Res source 10 11 2006 http research microsoft com cburges papers SVMTutorial pdf CAR06 EKG in Wort und Bild 2care at Freies Pflegelexikon Online Ressource 10 9 2006 http www 2care at Artikel Grundlagen EKG COG05 Bates R Istance H Oosthuizen L and Majaranta P Survey of De Facto Standards in Eye Tracking Communication by Gaze Interaction COGAIN IST 2003 511598 2005 Online Res source
263. onal Die Abbildung zeigt den Benut zerdialog des EEG Elements Baud Rate 57600 Sampling Rate 256 Neben der Verwendung als Li Device ModularEEG Fe is v Ch M Ch2 M Ch3 M Ch4 M Ch5 Iv ChG ve Datenquelle f r die Werte aae oenen des Biosignalverst rkers kann ES das EEG Element auch Archiv Te m dateien aufzeichnen und wie I dergeben Wird eine Archivdatei Zn zur Wiedergabe ge ffnet ste Posion E hen keine Live Daten zur Ver Archive offest 0 00 seconds f gung und umgekehrt Abb 7 9 Parameterdialog des EEG Elementes Empfang von Live Daten des Biosignalverst rkers Zur Vorbereitung der Daten bertragung wird der Com Port gew hlt mit dem die Ver st rkerhardware verbunden ist und die Baudrate und Samplerate werden eingestellt normalerweise 57600 Baud 256Hz Weiters ist die Firmware Version des Verst r kers einzustellen normalerweise ModularEEG P2 oder ModularEEG P3 Der Com Port wird durch Dr cken von Connect Disconnect Com Port ge ffnet War das Off nen erfolgreich erscheint eine Markierung im Auswahlfeld connected andernfalls wird eine Fehlermeldung ausgegeben und die Com Port Einstellungen sollten ber pr ft werden Um den Empfang von Live Daten zu starten wird die Play Schaltfl che der Status zeile gedr ckt und der Biosignalverst rker eingeschaltet Eine Darstellung der emp fangenen Signale erfolgt durch das Einf gen eines Oszilloskop Elements in die De sign Konfiguration
264. one 64 g 2 delete selected tone clear Scale dema Output Output Device Microsoft GS wWavetabl Chn I Instrument or Controller Saul Abb 7 5 Der Tonleitern Editor Der aktuelle Ton wird durch den Schieberegler bestimmt eine Test ausgabe erfolgt ber das gew hlte Instrument und Midi Ausgabeger t Durch das Bet tigen von Add to Sca le wird der aktuelle Ton zur Tonskala hinzuzgef gt Delete l scht einen in der Liste markierten Ton Durch eine Bewegung mit den Cursortasten k nnen Teile oder die gesamte Ton leiter angeh rt werden Durch Load Scale und Save Scale k nnen beste hende Skalen ge ndert und neue erzeugt werden 7 5 Die Erstellung von Design Konfigurationen Die Design Konfiguration bestimmt die Art der Signalverarbeitung in BrainBay Ihre Erstellung erfolgt grafisch und besteht aus den folgenden Schritten e Konfigurationselemente in das Design einf gen e Signalverbindungen zwischen Elementen herstellen e Einstellungen der Elemente durch deren Benutzerdialog anpassen e Das Design mit Archiv Simulations oder Live Daten testen 7 5 1 Einf gen Benennen und L schen von Elementen Der Insert Element Eintrag des Men s bietet vier Untergruppen von Elementen e Signalquellen Signal Sources e Signalziele Signal Targets e Verarbeitungselemente Processing Elements und e Andere Others Die f nfte Gruppe All beinhaltet alle Elemente in alphabethischer Reihenfolge Prin z
265. opfstellung gezogen werden sodass die Anf lligkeit gegen ber Kopfbewegungen etwas kleiner wird Allen Systemen ge meinsam sind die Notwendigkeit einer Kalibrierungs Prozedur und der eingeschr nk te Bewegungsspielraum f r den Kopf Die Aktualisierungsfrequenz guter Systeme liegt bei 50 Hz bis 100 Hz 44 Das wohl bekannteste Eye Tracking System ist Eyegaze der Firma LC Technologies Eyegaze wird als Komplettsystem Kamera Bildschirm mit Schwenkarm Computer angeboten und kann als Zusatzger t zum einem schon vorhandenen Rechner oder als eigenst ndiges Ger t zur Kommunikationshilfe und Umgebungssteuerung verwendet werden Am Bildschirmkeyboard l sst sich mit Eyegaze eine Schreibgeschwindigkeit von bis zu 100 Buchstaben pro Minute errei chen Der Preis betr gt 13 000 bis 18 000 Euro Abb 2 38 Schreiben mit dem EyeGaze System Die folgende Tabelle gibt Aufschluss ber einige wichtige Parameter gegenw rtiger Tracking Systeme COGO5 zeitliche Toleranz f r Aufl sung Kopfbewegung Hz x y z cm Applied Science j Eye Response p i Eye Tech Digital Entfernung cm Genauigkeit Grad LC BER Sensomotoric Tabelle 2 1 Gegen berstellung der Merkmale von Gaze Tracking Systemen 2 4 5 5 Res mee kamerabasierte Systeme Kamerabasierte Systeme werden laufend verbessert und sind in ihrer einfachen An wendbarkeit und Komfort kaum zu schlagen Obwohl sich bereits eine F lle von Pro dukten auf dem Markt b
266. orschung geworden Matlab erlaubt die Programmierung eigener Funk tionen und Applikationen sowie die Simulation von dynamischen Systemen Zur Ana lyse von Biosignalen eignet sich im Besonderen die Signal Processing Toolbox mit vielen Funktionen zur Erzeugung von Filtern oder zur Durchf hrung von Spektralana lyse oder Singul rwertzerlegung Die Simulink Umgebung ist zur Echtzeitauswertung von Signalen einsetzbar MATO6 Durch die internationale Forschungsgemeinschaft werden laufend neue Funktions bibliotheken erstellt die spezielle Probleme der Biosignalverarbeitung l sen und teil weise kostenlos bezogen werden k nnen Ein Beispiel ist die Matlab EEG Toolbox BIOSIG von Alois Schl gl SCLO2 85 4 7 1 1 EEGLab EEGLab ist eine Matlab basierte Analysesoftware f r Mehrkanal Biosignal Daten die als OpenSource Applikation verf gbar und erweiterbar ist EEGLab verf gt ber 300 Funktionen zur Datenanalyse und Merkmalsextraktion die Software eignet sich u a f r die epochenbasierte ERP Mittelung zur Artefaktentfernung mittels CA Verfahren f r das Mapping und die Darstellung von QEEG Daten und zur Lokalisation von Di polen mit Bezug zu anatomischen MRI Bildern EEGLab besitzt Import Funktionen f r alle g ngigen Datenformate einschlie lich EDF und BDF Die haupts chlichen Einsatzgebiete f r EEGLab sind die Analyse von EEG und MEG Daten prinzipiell eignet sich die Software auch zur Verarbeitung anderer elektrophysiologischer
267. ort 1 if port 1 in2 value Speichern eintreffender Werte von Input Port 2 Die work Methode berechnet den Output des Elements entsprechend der Selekti on der Auswahlbox und der Einstellung des Schiebereglers Das Ergebnis wird durch die Methode pass_values an verbundene Elemente weitergeleitet 125 void DEMOOBJ work void switch selection berechne Wert abh ngig von der selektierten Auswahl case 0 pass_values 0 ern F pogs y 1200 07 break erste Option gew hlt skalierter Wert von Inputl case 1 pass_values 0 ina 35905 7 100208 5 break zweite Option gew hlt skalierter Wert von Input 2 case 2 pass_values 0 En ran DOSE break ii dritte Options skallierker Wert von InputLl Inpur2 Der Objekt Destruktor dient zur Freigabe des Speicherbereiches der Klasse Hier sollten auch zus tzliche Speicherbereiche die das Element reserviert hat freigege ben werden DEMOOBJ DEMOOBJ Jr es w rde nichts extra aTlskiert Nun sind alle Standardmethoden f r das Element implementiert Die zus tzlichen Methoden werden nun zu Demonstrationszwecken gezeigt voLd BEMOOBJ update inports void wird aufgerufen wenn Input Ports verbunden oder Verbindungen gel scht werden TAPOTES e9UnE FnpPOorLesAIchee Ermitteln des h chsten aktuell verbundenen Input Ports und Aktualisieren der Input Ports des Elements Dies f hrt zu einer dynamischen Anzahl von Input Por
268. puterverwendung Steuerung der Mausfunktionen Keyboard Inputs e Automatischer Start von Konfigurationen und Hintergrundbetrieb e Kombinierbarkeit mit bestehenden L sungen zur Interaktions und Kommunikationsunterst tzung wie Bildschirmtastaturen und Umgebungssteuerungen e leichte Erweiterbarkeit durch neue Funktionen prinzipielles Rahmenwerk an Klassen und Methoden e Dokumentation der n tigen Schritte zur Implementierung neuer Funktionen Eine fix vorgegebene Hierarchie f r die funktionalen Einheiten zur Gewinnung der Rohsignale Verarbeitung der Daten und Ausgabe der Ergebnisse w re nicht zielf h rend Um all diese Anforderungen innerhalb einer Applikation realisieren zu k nnen sollte schon die grundlegende Struktur auf welche die einzelnen Verarbeitungs schritte aufbauen dynamisch sein 91 5 2 berlegungen zur funktionalen Struktur Zur Realisierung der Anforderungen bietet sich ein grafisches Design von Signalver arbeitungskonfigurationen an das einen problemorientierten Aufbau von Signalquel len Transformationsfunktionen und Signalsenken erm glicht Ein gutes Beispiel f r einen derartigen Aufbau bietet das Simulink Paket welches Teil der Matlab Applikation ist Hier k nnen Symbole f r Funktio en Taf nen zur Erzeugung Verarbeitung ui und Darstellung von Signalen aus einem gro en Set gew hlt und durch eine grafische Benutzer schnittstelle kombiniert werden m Durch das Verbinden dieser Sym Sio
269. r kennbar Die REM Phase nimmt ca 20 Prozent der Schlafes ein der Tiefschlaf etwa 30 Prozent 21 Augen offen DIT LU DE 2201177 een AAA UL PN A ANM aa 027177 e okzipital Dalaran 100uV 5 Abb 2 11 Ableitung des EEG Desynchronisation des Alpha Rhythmus durch das ffnen der Augen Abb 2 12 Darstellung der ver teilten Aktivit t beim QEEG Ein pathologisches EEG u ert sich u a durch das Auftre ten inad quater Frequenzen etwa hohe Delta Werte im Wachzustand Eine genaue Bestimmung der Quellen ei ner Aktivit t ist durch das EEG nur durch die gleichzeitige Ableitung vieler Kan le und die Anwendung mathemati scher R cktransformationen wie der Independent Compo nent Analysis ICA m glich Im quantitativen EEG QEEG wird durch eine hohe Anzahl von Kan len 128 oder mehr eine 2 dimensionale oder r umliche Darstel lung der Hirnaktivit t erm glicht siehe Abb 2 12 Die Amplitude des EEG erreicht normalerweise kaum mehr als 200 uV Das EEG ist damit ein sehr schwaches bioelektrisches Signal was die Anforderungen an die Ver st rkertechnik wesentlich erh ht Die EEG Messung wird mit Differenzverst rkern durchgef hrt wobei meist ein Hochpassfilter zur Unterdr ckung des Gleichspannungs anteils verwendet wird um hohe Signalverschiebungen durch Polarisation der Elektroden zu vermeiden Wird auch der Gleichspannungsanteil gemessen sollte der Verst rker einen sehr hohen M
270. r Bildfrequenz gt 50 Hz erzielen Durch die steigende Rechen leistung und die sinkenden Preise der Videoausstattung gewinnt die Videooku Iographie zunehmend an Bedeutung Zur Merkmalsextraktion werden die Helligkeits unterschiede zwischen Iris und Bindehaut Limbus Tracking oder zwischen Iris und Pupille Pupillen Tracking verwendet Oft findet auch hier die Reflexion von Infrarot 97 licht an der Cornea Cornea Rerflex Methode unterst tzende Anwendung SCNOO Durch die Auffindung des Zentrums der Pupille mittels Bildanalyseverfahren und ei ner Kalibrierung mit der Kopfposition kann die Blickrichtung gesch tzt werden Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die Fehleranf lligkeit gegen ber Kopfbewegungen meist betr gt die Toleranz hier nur wenige Zentimeter Dennoch bietet die Videooku lographie vor allem beim Einsatz als Kommunikationshilfsmittel viele Vorteile gegen ber anderen Verfahren Einige Beispiele f r kommerzielle Produkte siehe Kapitel 2 4 6 2 2 5 Stimme und Sprechen Die Stimme z hlt zu den wichtigsten Kommunikations und Interaktionsmitteln des Menschen Will man die Stimme digital aufzeichnen ben tigt man daf r ein Mikrofon und eine Digitalisiereinheit mit geeigneter Aufl sung und Abtastrate f r gute Qualit t etwa 16 Bit f r den gegebenen Signalpegel bei einer Samplefrequenz von etwa 10 kHz Das Frequenzspektrum der Stimme liegt zwischen 200 und 5000 Hz Sprechen und Stimme haben in der Rehabilitation
271. r die Datei eingetra gen Andernfalls wird eine Fehlermeldung ausgegeben void close_captfile void Schlie t eine ge ffnete Archivdatei die durch die CAPTFILE Struktur referen ziert wird Die CAPTFILE Struktur wird r ckgesetzt und die l ngste ge ffnete Archivdatei wird neu ermittelt void read_captfile int amount Liest eine Anzahl von lt amount gt Bytes von einer ge ffneten Archivdatei und transferiert die Daten in den Inputpuffer TTY readBur void write_captfile unsigned char actbyte Schreibt ein Byte in eine ge ffnete Archivdatei int open _file_dig HWND hDlg char szFileName int type int flag_save Erzeugt einen Benutzerdialog zur Auswahl eines Verzeichnisses und einer Datei lt hDig gt ist ein Bezeichner f r das aufrufende Fenster lt szFilename gt enth lt den Pfad zum Standardverzeichnis und nach der Auswahl den Pfad zur gew hlten Datei lt type gt w hlt die Dateierweiterung zur Filterung der an gezeigten Dateien und lt flag_save gt gibt an ob die Datei zum Schreiben oder zum Lesen ge ffnet werden soll Das Offnen einer nicht existierenden Datei zum Lesen erzeugt eine Fehlermeldung das berschreiben einer existieren den Datei wird durch einen R ckfragedialog verifiziert BOOL load_from_file LPCTSTR pszFileName void buffer int size L dt einen Puffer gegebener Gr e von einer Datei namens lt pszFileName gt BOOL save _to_file LPCTSTR pszFileName void buffer int size Speichert ein
272. r gesendet Zu bearbeitende Nachrichten wer den vom System in einer Warteschlange message queue gehalten und so bald wie m glich abgearbeitet Jede Applikation ist dabei selbst f r die Verteilung der Nach richten an eigene Fensterkomponenten zust ndig Die Nachrichtenschleife im Hauptprogramm erledigt diese Aufgabe durch wiederholtes Abfragen der message queue und Aufrufe der Funktionen TranslateMessage und DispatchMessage MSG msg while GetMessage amp msg NULL 0 0 TranslateMessage amp msg DispatchMessage amp msg 100 6 3 1 Nachrichtenverarbeitung in einer Windows Applikation I Thread Started mE u a a ae M a EEE en ME Ten EEE a M en N en En A r Fracess i ij i j nn j Windows sage Frocedure 1 Queue O u m sus Mh EEE O 1 a Messade Function Loop E j I i j i j i F Windows EE woo Funghi B Er m er EE Ie E Er EE EF Er Ee e Ee oe e EM ME e e e o er oe r EN UI Thread Over Abb 5 5 Weiterleitung von Nachrichten in einer Windows Applikation Ein Prozess der eine Nachrichtenschleife beinhaltet wird User Interface Thread ge nannt Ein oder mehrere Fenster werden in diesem Prozess erzeugt und sind ihm zugeordnet Die Nachrichtenbehandlungsfunktion eines Fensters wird von dem zu geh rigen Prozess durch die Funktion DispatchMessage aufgerufen Es kann zwar auch jeder andere Prozess Nachrichten an das Fenster senden diese werden aber in
273. ragen u 2 Fine lude ob zfTle writer h inelude ob d viation Nn include Tob moih include ob_demo h Die create_object Funktion wird um folgende Zeile erweitert C ega d case OB_FILE_WRITER actobject new FILE_WRITEROBJ GLOBAL objects break case OB _DEVIATION actobject new DEVIATIONOBJ GLOBAL objects break case OB_MCIPLAYER actobject new MCIOBJ GLOBAL objects break case OB_DEMO actobject new DEMOOBJ GLOBAL objects break Nun kann das neue Element compiliert und getestet werden 129 7 Anwendung von BrainBay Das folgende Kapitel beschreibt die Installation und die Verwendung der lauff higen BrainBay Applikation Die einzelnen Konfigurationselemente werden vorgestellt und ihre Verbindung zur lauff higen Konfiguration wird anhand von konkreten Beispielen diskutiert 7 1 Installation und erster Start des Programms 7 1 1 Systemvoraussetzungen BrainBay verwendet das Windows Betriebssystem und l uft unter den Versionen Windows XP Windows 2000 NT und Windows 98 Die Hardwarevoraussetzung f r einen Start der Applikation sind ein Pentium Il Laptop oder Desktop Computer mit 128MB Ram Die Echtzeitf higkeit des Laufzeitsystems ist jedoch prinzipiell von der Komplexit t der Konfiguration von Verarbeitungs und Darstellungselementen ab h ngig Wenn die Konfiguration rechenintensive Elemente wie die 3D Darstellung von FFT Werten oder Bildverarbeitung von Webcam Bildern beinhalte
274. rchitektur Die Eingabe f r ein mehrschichtiges Netz k nnten z B Helligkeitswerte von Bildpunkten sein und seine Ausgabe ein Zahlen wert f r die Erkennung eines bestimmten Musters Die Initialisierung eines neuralen Netzes erfolgt oft mit zuf lligen Werten f r die Gewichtungen der Verbindungen Beim Training des Netzes mit Beispieldaten wird der Klassifikationsfehler vom Output in Richtung der Inputschicht zur ckgerechnet back propagation Dabei werden die Gewichte entsprechend ihres Anteils an einem richtigen oder falschen Ergebnis ver st rkt oder abgeschw cht Das neuronale Netz findet auf diese Weise eine interne Repr sentation f r den Informationsgehalt der Daten 4 6 2 PCA und ICA Principal Component Analysis PCA und Independent Component Analysis ICA sind Methoden die Komplexit t eines Merkmalsraumes durch die Auffindung von orthogonalen Basisfunktionen PCA bzw von entropiemaximierenden Basisfunktio nen ICA zu reduzieren Dadurch eignen sich diese Algorithmen zur Darstellung von Merkmalen mit m glichst wenigen relevanten Parametern Die Grundannahme ist dass sich ein Signal aus einer linearen Kombination verschiedener Quellen zusam mensetzt Die PCA liefert durch die Singul rwertzerlegung Komponentenfunktionen das Originalsignal kann durch Multiplikation der Komponenten mit einer Matrix aus Eigenvektoren hergestellt bzw durch die inverse Matrix in die Komponenten zerlegt werden Die ICA lockert die Bedingung der Or
275. rd Record to archi ve gew hlt erfolgt eine Videoaufzeichnung in eine AVI Datei Diese Datei und die zu verwendende Komprimierungsvariante Codec sind durch Dialogfenster zu w hlen Die Wahl des Codec entscheidet ber Qualit t der Aufzeichnung und ber das Ver h ltnis Rechenzeit ben tigte Plattenkapazit t F r die Echtzeitanwendung ist ein Ver fahren zu bevorzugen welches wenig Rechenzeit braucht Die unkomprimierte Spei cherung ist am schnellsten produziert aber sehr gro e Dateien Cinepak oder DiVX5 2 sind m gliche getestete Alternativen Nach der Wahl des Codecs werden bei laufender Ausf hrung der Design Konfiguration Videobilder in der Datei abgelegt Durch die Bet tigung der Stop Camera Schaltfl che werden die Aufnahme beendet und die Videodatei geschlossen Die Auswahl von Playback from archive erm glicht die Wiedergabe einer AVI Datei anstatt der Verwendung der Live Kamera Die Videodatei wird durch ein Dialogfens ter gew hlt sie kann von einer fr heren Aufzeichnung durch das Camera Element stammen oder eine beliebige AV I Datei sein die mit einem verf gbaren Codec de kodiert werden kann Nach dem Start der Session wird das Video von der Datei mit der eingestellten Framerate geladen Falls die Merksmalslokalisation aktiviert ist wird diese auf Basis der Videodaten aus der Datei durchgef hrt Merkmallokalisation und Bewegungsverfolgung Wenn der Auswahlbutton enable tracking aktiviert ist f hrt das Cam
276. rde ER ber das BCI angesteuert Abb 2 41 BCl gesteuerte Orthese 2 5 3 VEP BCls Hier ist das grundlegende Verfahren die Auswertung von evozierten Potenzialen des visuellen Kortex visual evoked potenzials VEP siehe 2 1 4 1 Dabei werden Blink oder Farbreize am Bildschirm pr sentiert wobei mehrere Auswahlm glichkeiten be stehen Durch Konzentration auf die gew nschte Auswahl treten visuell evozierte Potenziale auf so genannte steady state VEPs SSVEP die f r den hinterlegenden Reiz charakteristisch sind Wird z B ein Schachbrettmuster mit einer Frequenz von 5 Hz invertiert treten SSVEPs mit dieser Geschwindigkeit auf So kann die Bildschirm stelle auf welche sich die Person konzentriert erkannt werden Die Ableitung der VEPs erfolgt am Hinterkopf parieto okkzipital Positionen O1 O2 bzw P3 P4 da dort die Lichtreize von der Retina in den visuellen Kortex m nden Das erste funkti onst chtige BCI System basierte auf SSVEPs und wurde bereits 1977 von Vidal rea lisiert Dabei konnten Versuchspersonen durch Konzentration auf einen von vier Sti muli am Bildschirm die Bewegung durch ein Labyrinth steuern Das System erreichte eine Erkennungsrate von 90 was viele moderne BClIs bertrifft VID73 Beim Brain Response Interface von Sutter 1992 wurden gleichzeitig 64 Symbole pr sentiert deren Betrachtung zu geringf gig unterschiedlichen SSVEPS f hrt Diese Signalmus ter werden zuvor in einer einst ndigen Trainingssitzu
277. reichen Power z induction Transmitter Ei Die Ableitung erfolgt mittels Elektro a gt denarrays Grid Elektroden oder mit Skull Bone en i Tanib i ae A k A j tels Glaselektroden die mit einem neurotrophen Material ausgekleidet sind Nervenzellen des Gehirns wach sen in das R hrchen ein und produ zieren gut ableitbare Signale an der innenliegenden Goldelektrode BADER LEONE Abb 2 43 Komponenten eines Direct Brain Interface Cortex SCIATIC io RVE NEURITES _ i 49 Die optimale Position der Elektroden wird zuvor ber FMRI Untersuchungen functio nal magnetic resonance imaging ermittelt Die Verst rkung und Funk bertragung der Signale kann durch eine unter der Kopfhaut angebrachte Elektronik erfolgen die durch eine Induktionsspule mit Energie versorgt wird Die Nachteile implantierter E lektroden sind vor allem der n tige Eingriff das Infektionsrisiko und bei l ngerem Einsatz eine m gliche Verschlechterung der Signalqualit t Erfolgreiche DBI Implantationen wurden von Huggins 1997 sowie von Kennedy und Bakay 1998 durchgef hrt KEN87 2 5 6 BCI2000 Das BCI2000 System wurde von Gerwin Schalk und der BCI Gruppe des Wadsworth Center Albany N Y als Forschungs und Entwicklungsplattform f r BCI Systeme entwickelt BCI2000 bietet eine Aufteilung der Gesamtaufgabe in verschiedene Mo dule f r Datenerhebung Sampling und Hardware Treiber Signalverarbeitung Klas sifizierung und User
278. reichen liegen Die erkann ten Punkte werden im Kamerabild gr n bzw gelb markiert Abb 6 3 Tracking links und Neuinitialisierung rechts von Gesichtsmerkmalen 6 9 3 Tracking von Gesichtsmerkmalen In den folgenden Einzelbildern wird durch den Lucas Kanade Algorithmus versucht die Positions nderung von Nase und Kinn zu sch tzen und die Punkte zu aktualisier ten Die neuen Positionen von Nase und Kinn werden einer Plausibilit tspr fung un terzogen Entfernung und Orientierung im Raum Sind die errechneten Fehlerwerte zu gro werden die Punkte rot markiert und eine neue Gesichtsdetektion wird durch gef hrt Re Initialisierung Der Grund f r die Verwendung des optischen Trackings ist die schnellere Ausf h rungsgeschwindigkeit f r die Echtzeitverarbeitung Mit dem LK Algorithmus lassen sich bei der Hintergrundausf hrung des Programms 15 20 Bilder pro Sekunde verar beiten dies w re beim permanenten Einsatz der Haar Cascade nicht m glich 6 10 Die Erzeugung eines neuen Verarbeitungselementes Um ein neues Element und den zugeh rigen Benutzerdialog zur Applikation hinzuzu f gen sind die folgenden Schritte durchzuf hren e Hinzuf gen des Namens und der Identifikationsnummer des Elements zur Header Datei brainbay h e Erzeugung eines Benutzerdialogs f r das Parameterfenster des Elements e Ableitung einer Klasse f r das Element von BASE CL Deklaration der verwendeten Variablen und Implementierung der ben
279. res System Lineare Systeme erlau ben die Uberlagerung Superposition von Signalen Signalsynthese bzw das Zer legen eines Signals in Komponenten Dekomposition Wird ein komplexes Signal x n in einfachere Komponenten x n zerlegt produziert ein lineares System die Aus gabewerte yj n Die Addition dieser Ausgabewerte f hrt zu demselben Ergebnis y n das vom System aus dem Originalsignal erzeugt wird Dieses Prinzip ist die Basis der Digitalen Signalverarbeitung Signale werden durch Dekomposition in einfachere Signalkomponenten zerlegt modifiziert und wieder zusammengef hrt Besonders wichtig bei der Signalanalyse sind die Impulsdekomposition bei der Systemantwor ten auf einzelne Impulse untersucht werden impulse response und die Fourier Dekomposition bei der ein beliebiges Signal als Summe von Sinus und Cosinuswel len dargestellt wird 4 2 Grundlegendes zur Signalstatistik Die statistische Auswertung eines Signals erlaubt R ckschl sse auf den zugrunde liegenden Prozess Handelt es sich um station re oder um dynamische Ph nomene in welchem Ma e sind Zufalls und St rgr en im Signal vorhanden in wieweit ist das Signal deterministisch oder stochastisch usw Erwartungswert und Standardab weichung erlauben eine erste Absch tzung dieser Signaleigenschaften 4 2 1 Erwartungswert und Standardabweichung Der Erwartungswert u ist der Mittelwert aller Sample Werte aus einem Set von N Samples die Standardabweichung o ist e
280. rh com pointing trackerpro head html Abb 2 34 Bewegungsverfolgung durch das CameraMouse System in BETO2 Abb 2 35 Augendetektion in Echtzeit mit einer Webcam in BET 3 Abb 2 36 Tracking der Nase f r die Cursorsteuerung in GORO2 Abb 2 37 Komponenten und Funktionsweise eines Gaze Tracking Systems in COGO5 Abb 2 38 Schreiben mit dem EyeGaze System Online Ressource 14 10 2006 http www eyegaze com Abb 2 39 Desynchronisation des u Rhythmus bei der Vorstellung einer Bewegung in MUPO5 Abb 2 40 Zweidimensionale Auswertung von ERD ERS in WOLO4 Abb 2 41 BCl gesteuerte Orthese in MUPO5 Abb 2 42 P300 BCI f r das Buchstabieren in ALLO3 Abb 2 43 Komponenten eines Direct Brin Interface in KEN87 Abb 2 44 Struktur und Komponenten der BCI2000 Applikation in SCHO4 Abb 2 45 Beispiele f r m gliche BCI Applikationen in BCI2000 in SCHO4 Abb 3 2 Unterschiede zwischen monopolarer und bipolarer Ableitung in FEH89 Abb 3 3a Der Elektrode Haut Kontakt in SEE06 Abb 3 3b Elektrisches Ersatzschaltbild f r den Elektrode Haut Kontakt in SEE06 Abb 3 4 Kapazitive Einkopplung von 50Hz Noise in SEEO6 Abb 3 5 Aufbau eines Differenzverst rkers in LISO5 Abb 3 6 Ausreichende Samplingrate in SMIO1 Abb 3 7 Inadequate Samplingrate Aliasing in SMIO1 Abb 3 8 Tiefpassfilter Sallen Key Schaltung in SMIO1 Abb 3 9 Symbole f r die Kennzeichnung zertifi
281. ried Rief Niels Bir baumer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indikation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X KRO00a Reiner Kroymann Horst Zittlau Gerhard Goebel Biofeedback in der Therapie des chroni schen Tinnitus in Winfried Rief Niels Birbaumer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indikation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X IKUPO5 Tony R Kuphaldt All about circuits E books Volume IV Online Ressource 17 10 2006 http www allaboutcurcuits com LAUO6 Stefan Lautenbacher Lehrstuhl f r physiologische Psychologie Universit t Bamberg Skrip tum Biologische Psychologie Il Online Ressource 2 6 2006 http www unibamberg de fileadmin uni fakultaeten ppp_professuren physiologische_psychologie Biologische_Psychologie_Il M edA25 01 2006 pdf LEIOS Denis Leimberg Martin Vester Christensen Heuristics for Speeding Up Gaze Estimation Swedish Symposium on Image Analysis SSBA 2005 Malm March 2005 LIO6 Dongheng Li Derrick Parkhurst OpenEyes an open hardware open source system for low cost eye tracking Journal of Modern Optics Volume 53 Number 9 Taylor and Francis Ltd June 2006 pp 1295 1311 LEVOO Simon P Levine Jane E Huggins Direct Brain Interface Project University of Michigan Online Ressource 3 7 2006 http www engin umich edu dbi nin2000 dataacg html LIS05 Lutz Li eck Entwicklung und Aufbau eines Systems zur Erfassung und Echtzeit
282. rinnere wird ca 40 mV positiv gegen ber der Au enseite aufgeladen Dieser Effekt ist selbst verst rkend da der Abbau der negativen Aufladung auf der Membraninnen seite die Na Permeabilit t in der unmittelbaren Umgebung weiter erh ht geschlossen geschlossen inaktiviert inaktiviert geschlossen aktivierbar geschlossen ge ffnet aktivierbar Zeit 1 2ms Abb 1 12 Aktivierung und Inaktivierung eines Natriumkanals Repolarisationsphase Die ffnung der Na Kan le ist zeitlich beschr nkt Nach ein bis zwei Millisekunden schlie en die Kan le und bleiben bis zur Repolarisation des Zellinneren inaktiviert Man beobachtet man einen raschen R ckgang der Potenzial nderung Die Kalium Kan le wurden gleichzeitig mit den Na Kan len durch den berschwelligen Reiz ak tiviert ffnen aber langsamer und f hren nun zu einem Kalium Ausstrom und somit zu einem langsamen R ckgang des Potenzials auf den Ruhewert des Membranpo tenzials In dieser Phase kann kein neues Aktionspotenzial ausgel st werden Re frakt rzeit siehe Abb 1 12 Hyperpolarisation geschlossen ge ffnet Durch einen berm igen Ausstrom von Kalium lonen kann es zu einer deutlichen negativen Aufladung der Membraninnenseite kommen wodurch der Wert des Ruhepotenzials kurzfristig unterschritten wird Diese verst rkte Polarisierung in der Refrakt rzeit wird Hy perpolaristion genannt Abb 1 13 Aktivierung und Inakti vierung eines Kaliumkanal
283. rker zeichnet sich durch gute Noise Werte hohe Sampling Rate und f r einen 24 Kanal Verst rker g nstigen Preis aus Als Zusatz ger te sind Module zur drahtlosen bertragung LanBox externe Stimulationsger te f r optoakustische Triggergenerierung und spezielle Joysticks verf gbar 62 3 2 6 USBamp g tec USBamp Kan le 16 Aufl sung Quantisierungsstufen 24 bit 1 LSB h chste Verst rkungsstufe 30 nV CMMR k A Noise lt 0 3 uV rms Hochpass Filter frei konfigurierbar Abb 3 15 g Tec USBamp Tiefpass Filter frei konfigurierbar Samplerate 38 4 kHz Schnittstelle USB Spannungsversorgung Netzteil Medizinzulassung Preis 10 100 g tec Guger Technologies Hersteller http www gtec at Tabelle 3 7 Technische Daten g Tec USBamp Eine Besonderheit des g tec USBamp ist der hohe Eingangsspannungsbereich von 250 mV sodass kaum die Gefahr einer Verst rkers ttigung durch Offset Spannungen besteht Der Verst rker eignet sich daher gut f r DC Messungen zB von SCPs Die Zeitkonstanten der Input Filter sind per Software konfigurierbar 3 2 7 Synamp EEG Verst rker Das NeuroScan Synamp2 System ist ein hochwertiger EEG Verst rker f r den me dizinischen und wissenschaftlichen Einsatz Es zeichnet sich durch hohe Eingangs impedanzen 10 GOhm hohe Samplingrate und Aufl sung aus dadurch k nnen sowohl Signale mit einer hohen Bandbreite wie EKPs als auch DC Potenziale erfasst werden Neuros
284. rmaschine und biologischem Muskelgewebe es entsteht der Begriff der tierischen Elektrizit t Galvani stellte fest dass sich Elektrizit t gt in einer Nervenzelle ausbreitet wenn sie auf einen erregten Muskel gelegt wird Er entdeckte weiters dass das Nerv Muskel Pr parat erregt wird wenn es gleichzeitig Kontakt mit zwei verschieden Metallarten bekommt die Stromerzeugung pp 1 3 Erregung des durch eine bimetallische Verbindung siehe Abb 1 3 Nerv Muskel Pr parates Alessandro Volta Padua erfindet um 1800 die Batterie die voltaische S ule siehe Abb 1 4 Durch eine Kombination mehrerer Schichten aus Zink und Kupfermetallpl ttchen die durch elektrolytische Schichten aus Papier oder Leder getrennt waren wurde eine kontinuierliche Gleichstromquelle aufgebaut Volta pr sentierte seine Erfindung als k nstliches elektrisches Organ und l ste damit Galvani s Theorie der tierischen Elektrizit t als exklusive Erscheinungsform weitgehend ab Die voltaische S ule legte den Grundstein f r weitere Entdeckungen in den Bereichen Elektrochemie Elektromagnetismus und Elektrophysio Abb 1 4 logie Voltaische S ule Hans Christian rsted Kopenhagen beschreibt 1820 das magnetische Feld um ei nen stromtragenden elektrischen Leiter Aus dieser Entdeckung und den Arbeiten von Ampere Schweigger und Poggendorff entsteht das erste elektrische Ladungsme ger t der Galvanometer 1825 benutzt Leopoldo Nobili Florenz sein
285. romchn char filename Zeigt einen Dialog zur Auswahl eines Dateinamens f r die Speicherung einer neuen EDF Datei EDF Header und Kanalinformationen werden aus den ge gebenen Strukturen erzeugt und in die Datei geschrieben Im Erfolgsfall wird ein Bezeichner f r die Datei zur ckgeliefert andernfalls die Konstante INVA LID HANDLE_ VALUE 6 5 6 Modul TTY cpp Dieses Modul stellt Funktionen f r die Verwendung der seriellen Schnittstelle COM Port und eigene Prozesse Threads f r die schnelle Ausf hrung der Lese und Schreibaufgaben zur Verf gung BOOL SetupCommPort int port Initialisiert und ffnet den angegebenen COM Port lt port gt etwa COM3 oder COM7 Die gew hlten Standardeinstellungen f r die Verbindung richten sich nach dem bertragungsprotokoll der OpenEEG Hardware 8 Datenbits kein Parit tsbit ein Stopbit Die Baudrate ist durch den Wert von TTY BAUDRATE gegeben und kann bei Verwendung schneller USB Com Konverter bis zu 921600 Bits Sekunde betragen Wenn der Com Port erfolgreich ge ffnet wer den konnte wird ein Bezeichner f r die Verbindung in TTY COMDEV gespei chert und ein Lese Thread wird beim System angemeldet Dieser Thread be handelt ankommende Werte mit der Funktion ReaderProc und ruft nach Er halt eines vollst ndigen Datenpaketes eine Parser Funktion zum Decodieren des Paketes und zur Bereitstellung der Biosignalwerte auf Falls ein Fehler 109 beim ffnen des Com Ports auftritt wird
286. rung eines Rollstuhles oder auch als Eingabeger t f r den Computer genutzt werden Besteht eine eingeschr nkte Beweglichkeit der Gliedma en eignen sich spezielle Trackballs Mini Joysticks oder auch Fu steu erungen f r die Computermaus Maussimulatoren dienen zur Vereinfachung der zweidimensionalen Bewegung des Maus Cursors mittels Tasten oder anderer Ein gabesysteme M gliche Varianten reichen von der 5 Tasten Maus direkte Auswahl einer Richtung und der Klickfunktion bis zum Ersatz der Mausfunktion mit nur einem Taster Hier wird eine Linie horizontal ber den Bildschirm gef hrt und der Schalter in dem Moment gedr ckt wo sich die Linie ber dem gew nschten Objekt befindet Danach wird der Vorgang in der vertikalen Richtung wiederholt Auf diese Weise kann eine beliebige Stelle am Bildschirm geklickt werden ZAG04 Ein integriertes Konzept f r den Mausersatz bietet z B die IntegraMouse der Firma LifeTool Die Mausfunktio nen k nnen durch die Bet tigung eines sensiblen Hebels mit den Lippen und durch einen Saug Blase Schalter ausgef hrt werden Der Preis der IntegraMouse betr gt etwa 2100 Euro htto www lifetool at Abb 2 27 IntegraMouse der Firma Lifetool 2 4 2 Scanning und alternative Schaltmechanismen F r die Computerverwendung mit einer einzigen Taste existiert eine gro e Auswahl an Software die komplexe Aufgaben wie das Schreiben oder die Steuerung der Um gebung durch so genannte Scanning Verfahren erlaub
287. rzielle Produkte die oft ge meinsam mit Biosignalverst rkern angeboten werden eignen sich zur professionel len Auswertung von Vielkanal Ableitungen und f r den Einsatz im klinischen Bereich Dennoch bieten auch Alternativen aus der OpenSource Community wie zB EEGLab berraschend viele Funktionen und sind vor allem f r die wissenschaftliche For schung gut geeignet Die Auswahl an universellen Programmen f r die Echtzeitaus wertung von Signalen und das Biofeedback ist hingegen nicht so gro im Open Source Bereich stehen hier nur wenige Applikationen zur Verf gung Die Konzeption und Realisierung einer eigenen Software f r die Biosignalanalyse mit speziellen Funktionen f r die Unterst tzung behinderter Menschen erscheint unter diesen Gesichtspunkten m glich und sinnvoll Bestehende Applikation wie BioExplo rer oder BioEra dienen hierbei als gute Beispiele f r eine m gliche Implementierung 89 5 BrainBay Entwurf der Applikation Im folgenden Abschnitt werden Anforderungen und gew nschte Funktionalit ten f r die zu erstellende Softwareapplikation zusammengefasst um daraus den strukturel len Aufbau und das Design f r die Implementierung abzuleiten Die grundlegenden Eigenschaften f r eine universelle Anwendbarkeit ergeben sich aus den Erhebungen der vorangegangenen Kapitel Die hier beschriebenen Anforderungen und Abl ufe stellen Rahmenbedingungen f r die Implementierung dar und definieren die Eigen schaften der zu v
288. s Depolarisation Repolarisation Das Aktionspotenzial funktioniert nach dem Alles oder Nichts Prinzip Ist der de polarisierende Reiz zu klein wird kein Aktionspotenzial ausgel st und der Reiz wird in seiner unmittelbaren Umgebung abgeschw cht tonische Leitung bersteigt die Depolarisation einen Wert von ca 40mV so wird ein Aktionspotenzial ausgel st und breitet sich nach dem beschriebenen Prinzip aus Die Nervenleitgeschwindigkeit ist von verschiedenen Faktoren wie dem Fasertyp durchmesser und der Myelinisie rung siehe Abb 1 6 abh ngig Sie wird durch die Neurographie ermittelt und liegt im Bereich von 0 5 m s Fasertyp C Schmerzleitung viszerale Motorneurone bis 120 m s Fasertyp A Muskelspindel Sehnenorgan ERL37 1 2 8 bertragung von Information auf andere Zellen Die Synapse Die bertragung der elektrischen Signale auf andere Zellen erfolgt durch Synapsen Es gibt elektrische und chemische Synapsentypen Bei der elektrischen Synapse flie t der Strom von einer Zelle in die andere direkt ber Verbindungsstellen Gap junctions Bei der chemischen Erregungs bertragung werden durch Depolarisation spannungsgesteuerte Ca Kan le aktiviert und leiten einen Ca Strom in die Ner venendung Dort steigt die Ca Konzentration an und f hrt zur Fusion von transmit terhaltigen Vesikeln mit der pr synaptischen Membran Die Vesikel sch tten ihren Inhalt in den synaptischen Spalt aus Dort interagieren
289. s und Unterst tzungstechnik einen wichtigen Stellenwert da sie f r blinde und motorisch behinderte Menschen als Er satz f r verloren gegangene F higkeiten dienen k nnen Anwendungsbeispiele sind Spracherkennungssoftware Sprechsteuerungen und Stimmsyntheseprogramme 2 2 6 Gestik und Bewegungen Gestik und Bewegungen gewinnen zunehmend Bedeutung in der Computerinterakti on Die Erkennung von Emotionen anhand des Gesichtsausdrucks der K rperhal tung und bewegung ist mittlerweile ein eigener Forschungszweig in der Schnittstel lenforschung geworden Die Verwendung von Computern oder Robotern soll da durch intuitiver und komfortabler gestaltet werden Viele derartige Systeme basieren auf der Auswertung eines Kamerabildes Durch geeignete Bildverarbeitungsalgorith men wird versucht den Gesichtsausdruck zu klassifizieren oder K rperposition und Aktivit ten der Gliedma en zu erkennen Zur Erkennung von Bewegungen k nnen auch Senso ren f r Beschleunigung Accelerometer oder Lage nde rung Gyro Sensor eingesetzt werden Diese Instrumen te sind als integrierte Schaltungen verf gbar und haben keine externen mechanischen Komponenten Es sind ein zwei und dreiachsige ICs erh ltlich die Werte k n Abb 2 20 en nen analog oder digital ausgelesen werden ne j 3 M glichkeiten zur Messung von Krafteinfluss bietet der Einsatz von Piezo Wandlern oder resistiven Druck oder Flexionssensoren Je nach Einsatzgebiet k nnen diese Se
290. s enthalten viele hydrophobe und wenige hydrophile Aminos urereste Au erhalb der Membran befinden sich berwiegend geladene polare Aminos uren Die Raumstruktur eines Ionenkanals ist von entscheidender Bedeutung f r seine Funktion Ein Beispiel ist der Mechanismus des Kalium Kanals Von Wassermolek len umgebene hyafratisier te K Ionen gelangen vom Zytoplasma her in die Pore bis zu einer H hlung in der Mitte des Kanalproteins In die engste Stelle der Pore den so genannten Selektivi t tst lter gelangen die lonen nur nach Abstreifen der Wassermolek le In den beiden Bindestellen des Selektivit tsfilters kommt es zu einer elektrostatischen Wechselwir kung von Ion und polaren Gruppen des Proteins Diese Bindung ersetzt die Bindung an Wassermolek le und erm glicht es dem lon die Pore zur Zellau enseite hin zu verlassen FRI93 1 2 6 Eigenschaften von Kanalproteinen Kanalproteine k nnen zwei Konfigurationen annehmen den offenen und den ge schlossenen Zustand Im offenen Zustand ist die lonenbewegung durch die Pore des Proteins m glich Ein bestimmter Abschnitt des Proteins Proteindom ne kann die Pore versperren und ffnen Dieser Abschnitt hei t Gate das Hin und Herschalten zwischen den beiden Zust nden wird als gating bezeichnet Das Gating von lonen kan len wird vor allem durch zwei Mechanismen kontrolliert durch die Bindung spe zifischer Substanzen an den Kanal ligandengesteuerter Kanal oder durch die Membran
291. s00220200ee nennen 101 Abb 6 1 Designfenster Anordnung von Elementen 1 24000002000000nnnnnnnnnnennennnnnennnenennn 116 Abb 6 2 Designfenster Anordnung von Elementen 2 us 22400000000nnnnnnnnnnnnnnnnnennnnn nennen 116 Abb 6 3 Tracking links und Neuinitialisierung rechts von Gesichtsmerkmalen 121 ADD 0A BEesSsolirecen Edilor essen een re 122 Abb 6 5 Hinzuf gen eines neuen Men eintrages mit dem Ressourcen Editor 128 Abb 7 1 Benutzerdialog f r Programmoptionen 22u0s2222040000Rnnennnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnn 132 Abbildungsverzeichnis Fortsetzung Abb 7 2 Hauptmen und Design Fenster der BrainBay Applikation 444s00440n nennen 133 Abb 7 3 Statuszeile mit Informationen ber die Session und zur Kontrolle der Wiedergabe 134 Abb 7 4 Der F rbpaletten Edi r an ae a iin 134 Abb 7 52 Der T nleiterh Ediliolaan Arne a eine 135 Abb 7 6 Einf gen von Elementen in die Design Konfiguration 22 24200s0200n0nneennnnnnnneennnennnnn 136 Abb 7 7 Anzeige der Eigenschaften einer Elementverbindung 2urs0uerssnesnnenennenennnenennnn 136 Abb 7 8 Anderung von Signalbeschreibung und Wertebereich 200002222000220000000nnnn een 137 Abb 7 9 Parameterdialog des EEG Elementes u suuuss0000s0nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn
292. sec Cosecans csc Arcussinus asin Arcuscosinus acos Arcustangens atan Arcuscotangens acot Arcussecans asec Arcuscostcans acsc Sinus hyperbolicus sinh Cosinus hyperbolicus cosh Tangens hyperbolicus tanh Cotangens hyperbolicus coth Secans hyperboicus sech Cosencans hyperbolicus csch Arcussinus hyperbolicus asinh Arcuscosinus hyperbolicus acosh Arcustangens hyperbolicus atanh Arcuscotangens hyperbolicus acoth Arcussecans hyperbolicus asech Arcuscosecans hyperbolicus acsch Absolutwert abs Heaviside Funktion mit Wert 1 step Unterst tzte un re Operation Vorzeichenwechsel Unterst tze bin re Operationen Addition Subtraktion Multiplikation Division und Exponentiation Es gelten die g ngigen mathematischen Regeln f r die Ausf hrungsreihenfolge Klammerung von Ausdr cken und kann zur Anderung der Reihenfolge ver wendet werden Leerzeichen und Tab Zeichen in der Zeichenkette des Ausdrucks sind erlaubt Zeilenwechsel newline d rfen nicht vorkommen 7 6 2 8 Das Filter Element Das Filter Element erlaubt die Erstellung digitaler Low Pass High Pass Band Pass und Band Stop Filter zur Signalverarbeitung Ein Low Pass Filter filtert hohe Frequenzanteile eines Signals heraus und l sst die tieferen Frequenzen durch Ent sprechend l sst ein High Pass Filter h here Frequenzen durch und ein Band Pass Filter l sst Frequenzen
293. sen Bei Depolarisation ver schiebt sich das Segment zur Membranau enseite die Pore wird ge ffnet Aktivierung Nach einer kurzen Verz gerung wird die Pore wieder verschlos sen Inaktivierung FRI93 1 2 7 Weiterleitung bioelektrischer Signale Das Aktionspotenzial Wird ein Neuron an einer bestimmten Stelle durch einen ausreichend gro en Membranpotential mV positiven Spannungsimpuls erregt ESET A EA a depolarisiert so f hrt dies durch die Aktivierung spannungsgesteuerter Na Kan le zur einer kurzzeitigen reversib le Anderung des Membranpotenzials a die sich entlang der Zellmembran aus 40 breitet siehe Abb 1 11 Diese Fortlei Na tung des Impulses wird als Aktionspo a een A tenzial bezeichnet und ist durch eine 50 S verlustfreie Ubertragung des Impulses m i m g entlang des Axons bis zur den synap EE N Eaa a a tischen Endknoten charakterisiert Das _ 0 1 2 3 4 ms Aktionspotenzial kann in drei Phasen gegliedert werden Abb 1 11 Verlauf eines Aktionspotenzials Depolarisationsphase Kennzeichnend f r diese Phase ist ein rascher Potenzialanstieg an der Innenseite der Zellmembran verursacht durch die pl tzliche selektive Permeabilit tssteigerung der Membran f r Na lonen Na lonen str men vom extrazellul ren Milieu ins Zellin nere und f hren so zu einer Ladungsumkehr an der Membran Das Aktionspotenzial ist somit ein Na Diffusionspotenzial Das vorher mit ca 80 mV negative Fase
294. sie werden nach einer erfolgreichen Therapie nicht mehr ben tigt F r die Durchf hrung des Biofeedback ist ein geeigneter Therapieplan zu erstel len der meist mehrere Sitzungen umfasst Die Auswahl der Methode und die Art der R ckmeldung sollte durch einen erfahrenen Therapeuten oder eine erfahrene Thera peutin durchgef hrt werden sodass die Anwendung entsprechend den lernpsycho logischen Regeln und motivationspsychologischen Aspekten f r die Person positiv wirkt da der Lernprozess durch eine falsche Art der R ckmeldung auch gehemmt werden k nnte Die kontinuierliche R ckmeldung des physiologischen Prozesses ohne wahrnehmba re Verz gerung und eine Bereitstellung geeigneter Darstellungsformen sind wichtige Eigenschaften der Biofeedbackinstrumente Biofeedback dient als ganzheitliche Methode auch der Aktivierung anderer Wirkfakto ren die zu einer erfolgreichen Behandlung beitragen RIEOO e Die Ver nderung der Selbstwirksamkeitserwartung Der Behandlungserfolg wird umso gr er je st rker die Person die Erfahrung macht selbst Kontrolle ber Funktionen und Bereiche zu erlangen denen sie bisher hilflos ausgeliefert war e Die Verbesserung der Interozeption Bei vielen Erkrankungen werden K rpersignale fehlinterpretiert z B bei Panikst rungen Die Wahrnehmung und richtige Interpretation k rperlicher Prozesse kann durch das Biofeedback gef rdert werden Der positive Effekt von Biofeedback ist durch kontrollierte Therapi
295. sisklasse deklariert die nur von denjenigen Elementen implementiert werden die sich auch ben tigen So wird etwa die Methode zur Dar stellung eines Benutzerdialoges nur von jenen Elementen implementiert die auch einen Benutzerdialog zur Verf gung stellen Durch das C Kommando new OB_CLASS_NAME wird eine neue Instanz der jeweiligen Objektklasse erstellt Im Objekt Konstruktor erfolgt die Initialisierung des Elementes mit Standardwerten Die Methode load dient zum Laden von Parame terwerten aus der Konfigurationsdatei usw 95 5 4 1 Beziehung der Ele Die folgende bersicht zeig Methoden an die Elementk mentklassen zur Basisklasse t die Basisklasse und die Vererbung von Attributen und lassen Es werden dabei alle Attribute der Basisklasse ererbt diese sind nicht extra f r jede Elementklasse dargestellt aber nur einige der virtuellen Methoden implementiert BASE_CL BASE_CL incoming_data Zoll p0 ganz Zoll p1 float load inout p0 void make_dialog pass_values Zoll p0 ganz Zoll p1 float save inout p0 void CAMOBJ enable_tracking input CAMOBJ Zoll num ganz CAMOBJ incoming_data Zoll port ganz Zoll value float load inout hFile void make_dialog save inout hFile void work EEGOBJ buffer chnmatrix readstate switches FILTEROBJ EEGOBJ Zoll num ganz EEGOBJ load inout hFile void make_dialog save inou
296. snnnnnnnennnnnenne nn 24 Abb 2 16 Typische Ableitungspunkte der EDA Aufbau der Hautschichten 25 Abb 2 17 Abnahme der Atmenaktivit t durch dehnungssensitive Messg rte u 26 Abb 2 18 Funktionsweise der Infrarot Plethysmographie us02422400000000nnnn ne nnnnnnnn nn nnnnnnnennnn 27 Abb 2 19 IROR System der Firma Microguide us00402400000000nnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnn 27 Abb 2 20 Sensoren f r Beschleunigung und Lage nderung ss02422440000n00nnnnnnnnnnnnnnn nennen 28 Abb 2 21 Ableitungspunkte f r das EMG der R ckenmuskulatur uss0200240000Bn00nnnn ee nnnnnnnneennn 30 Abb 2 22 Ableitungspunkte f r das EMG der Gesichts und Nackenmuskulatur 31 Abb 2 23 Lage wichtiger Muskelgruppen f r die Kontinenzreaktion 2200s00220200neRnnennnnee een 34 Abb 2 24 EMG Sonde f r das Beckenbodentraining s 2422440000000000nnennnnnnnnnnnnnnnnnne nennen nenn 35 Abb 2 25 Verbesserung der Bewegungsrezeption durch Biofeedback uu0040nsuennennne een 36 Abb 2 26 Dominante Theta Aktivit t im EEG uuus22usueennsnneennennnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnne nennen 37 Abb 2 27 IntegraMouse der Firma Lifetoo 2u000004004000RRRnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 38 Abb 2 28 S
297. sollte erst durchgef hrt werden wenn alle zu speichernden Kan le an die Input Ports des Elements angeschlossen wurden Die Speicherung von Werten in die Datei wird durch die Schaltfl chen Start Recording und Stop Re cording kontrolliert Zum Abschluss einer Aufzeichnung wird die Datei durch Bet ti gung von Close File geschlossen 7 6 3 4 Das File Writer Element E3 Write to E works EEG BrainBay debug ARCHIVES test tat FF Ceetee File Format ASCII Integer Yalues TAB CA LF delimited ro Ju ee Status File opened Abb 7 39 Parameterdialog des FileWriter Elementes Das File Writer Element kann zur Erzeugung einer headerlosen Datei mit Werten eines oder mehrerer Eingabesignale verwendet werden Diese Datei dient zum Ex portieren von Werten in andere Applikationen wie Microsoft Excel Labview oder Mat lab Durch die Auswahlbox File Format wird die Art der Speicherung beeinflusst Eine Auswahl von ASCIl Integer Values erzeugt eine lesbare Textdatei mit ganzzahligen Werten ASCII Float Values erstellt eine Textdatei mit Werten die zwei Nachkomm stellen haben Falls mehrere Signale angeschlossen sind werden die Signalwerte parallel in Spalten geschrieben die durch das eingestellte Trennzeichen Komma oder TAB separiert werden Als Trennzeichen f r Zeilen wird die Zeichenkombinati on CR LF verwendet Wird das Format Raw Wav ausgew hlt erfolgt die Erstellung einer Bin r Datei mit einem Kanal Diese kann durch ei
298. spannung spannungsgesteuerter Kanal FRI93 Ligandengesteuerte Kan le Die Durchl ssigkeit der Kan le wird durch die Anwesenheit bestimmter Nukle otide gesteuert Der Aufbau Metabolismus und Abbau Katabolismus dieser Stoffe spielt eine wichtige Rolle bei der Signal bertragung in der Second Mes senger Kaskade bei der die kinetischen Eigenschaften der Kanalproteine durch die Nukleotide beeinflusst werden Ein wichtiger Vertreter dieser zellul ren Botenstoffe ist cGMP zyklisches Guanosin Monophosphat das u a beim Sehen bei der Relaxation der glatten Muskulatur und bei der Regulation des Blutzuckersiegels beteiligt ist Ein cCGMP gesteuerter Kanal ist ohne An wesenheit von cGMP geschlossen bei Erh hung der cGMP Konzentration wird der ge ffnete Zustand immer h ufiger bei sehr hoher cGMP Konzentration ist der Kanal fast immer offen FRI93 Spannungsgesteuerte Kan le Um eine Kontrolle der Poren ffnung durch die Membranspannung zu erm gli chen verf gt ein spannungsgesteuerter lonenkanal ber einen beweglichen Spannungssensor der Spannungs nderungen in eine Kraft umsetzt Diese Kraft bewirkt dann beim Protein eine Konformations nderung welche die Pore entweder ffnet oder schlie t Der Sensor ist bei vielen Kan len ein Memb ransegment das ber positiv geladene Aminos urereste verf gt So ist zB beim K Kanal bei Ruhespannung von etwa 70 mV dieses Segment zur In nenseite verschoben und die Pore ist geschlos
299. spunkte der EDA b Aufbau der Hautschichten und Schwei dr sen Die Ursache des ver nderlichen Hautleitwertes liegt vor allem in der Schwei dr senaktivit t welche den elektrischen Widerstand der Epidermis ver ndert Der Haut leitwert ist dadurch ein aussagekr ftiger psychophysiologischer Parameter Es finden sich Anwendungen in der Psychotherapie in der Suchtbehandlung im Stressmana gement und bei der Unterst tzung von Entspannungstechniken siehe 2 4 Biofeed back Die Messung des Hautleitwertes erfolgt meist zwischen Zeige und Mittelfinger je weils an der medialen Phalanx oder am Daumen und Handballen Thenar und Hypothenar siehe Abb 2 16a Typische Leitwerte liegen zwischen 2 und 100 uS die Werte k nnen jedoch auch inter subjektiv stark schwanken sodass f r eine ausreichend genaue Aufzeichnung Biosignalverst rker mit hoher Aufl sung 16 Bit oder mehr notwendig sind 25 2 2 Nichtelektrische Biosignale Im Folgenden werden einige Biosignale kurz beschrieben die nicht direkt elektrisch messbar sind Man ben tigt geeignete Sensoren die einen Wechsel der Modalit t durchf hren damit sie elektrisch gemessen und digitalisiert werden k nnen 2 2 1 Atmung Die Atmung dient als grundlegende Vitalfunk tion zur Aufnahme von Sauerstoff und zur Abgabe von Kohlendioxid im Zusammenhang y Brustg rtel mit dem oxydativen Stoffwechsel Zudem IN AN unterst tzt die Atmung die Temperatur und a pH Regulation und
300. ssen f r die Ger te und Anforderungen f r die Konstruktion der Hardware die Spezifikationen der Bauteile die Programmierung und Funktionalit t der Software und verschiedene Arten des Einsatzes definiert Da zu geh ren auch Schutzma nahmen f r m gliche Fehlerquellen Bauteile Tests mit starken Uberspannungen und verschiedene Verwendungsszenarien Auf diese Art soll die gr tm gliche Sicherheit und eine Kompatibilit t mit anderen medizintechni schen Ger ten gew hrleistet werden SIT98 3 1 7 1 Die wichtigsten Anforderungen an die Hardware Erf llung der Bestimmungen f r ausreichenden Schutz vor Elektroschocks auch und gerade im Fehlerfall und beim Auftreten von Spannungsspitzen e Isolation und Patientensicherheit bei Uberspannungen e Erf llung der Richtlinien und Normwerte der elektromagnetischen Abstrahlung und Sicherheit im Falle starker elektromagnetischer Einstrahlung CON Auszug aus den Hardwareanforderungen der IEC 60601 1 2 Elektrostatische Entladung 6KV Kontakt 8 kV Luft 2KV Stromversorgung Spannungsspitzen 1 KV Ein Auso nge Magnetfelder 3 A m bei 50 60 Hz Tabelle 3 1 Beispiele f r Hardwareanforderungen der IEC Norm 60601 1 2 Elektromagnetische Unempfindlichkeit 3 V m bei 80 MHz 2 GHz 3 1 7 2 Kennzeichnung der zertifizierten Medizintechnikger te Symbol for EN60601 1 class Il symbol for ENGOSOT 1 type BF Abb 3 9 Symbole f r die Kennzeichnung zertifizierter Medizintechnikg
301. st alle Positionen des 10 20 Systems erreichbar F r die Vorbereitung der Ablei tung wird eine kleine Menge Kontaktgel mit einer Spritze in die H lse dosiert und mit einem Wattest bchen leicht einmassiert Die Elektrode wird mit leichtem Druck ein gesetzt sie kommt in Kontakt mit dem Gel dr ckt aber nicht direkt auf die Kopfhaut sodass auch eine l ngere Verwendung ohne Schmerzen m glich ist 69 3 3 5 2 Die Anfertigung einer EMG Kappe mit Beschleunigungssensoren Ausgehend von den Konzepten zur Verwendung von EMG Signalen und Kopfbewegungen zur Steuerung eines Human Computer Interface siehe 2 4 4 wurde eine Stoff kappe mit EMG Elektroden und einem zweiachsigen Be schleunigungssensor ADXL 202E von Analog Devices ausgestattet Der Beschleunigungssensor hat eine Aufl sung von 2 Milli G und misst somit auch nderungen sei ner Lage bez glich der Erdgravitation Eine Befestigung des Sensors an der Kappe erm glicht die Messung von Neigungen des Kopfes vor und zur ck bzw seitw rts Die Neigungsinformation wird vom Sensor durch digitale Pulsweitenmodulation und durch analoge Werte ausgege ben und kann somit direkt vom Mikrokontroller des Modu larEEG oder des MonolithEEG verarbeitet werden Die Digitalisierung der analogen Ausgabewerte durch zwei freie A D Wandler erm glichte eine Verwendung des Sen sors ohne Anderung der bestehenden Firmware Die Be schleunigungswerte werden wie zwei Biosignalkan le be handelt digi
302. t Die Adresse wird im Feld Neuroserver eingetragen Falls der Neuroserver auf demselben Computer l uft ist hier localhost einzutragen Durch Auswahl der Connect Schaltfl che wird ein Ver bindungsversuch ausgef hrt Im Falle eines erfolgreichen Verbindungsaufbaus er scheint im Statusfeld des Elements die Zeile OK und die Auswahlbox Biosignal Session wird mit den verf gbaren Datenstr men Streams des Neuroservers gef llt Dies k nnen sowohl Archive oder Live bertragungen von Signalen sein Die Aus wahl einer Eintragung ffnet den zugeh rigen Stream stellt die EDF Headerinformation im Benutzerdialog dar und aktualisiert die Output Ports des Ele ments Die Wertebereiche der Output Ports richten sich nach den Kanaleinstellungen der EDF Daten W hrend des Datenempfanges wird die Anzahl empfangener Datenpakete im Sta tusfeld aktualisiert Durch Bet tigung von Stop wird dir bertragung unterbrochen Close schlie t die Verbindung zum Neuroserver 7 6 1 6 Das Camera Element Webcam Dieses Element kann zur Verarbeitung des Bilddatenstromes einer Webcam oder Digitalkamera verwendet werden Die Kamera muss mit dem Computer verbunden und im System ber Ger tetreiber angemeldet sein Das Camera Element erlaubt die Wiedergabe und Aufzeichnung der Bildinformation sowie die Anwendung be stimmter Algorithmen zur Merkmallokalisation und Bewegungsverfolgung Zur Bild verarbeitung wird die Intel Open Computer Vision library verwendet
303. t Hierbei gibt der Computer ein Set von m glichen Entscheidungen vor die kontinuierlich durchlaufen werden Der Benutzer dr ckt die Taste in dem Moment wo die gew nschte Option aktiv ist 38 Je nach den pers nlichen Bed rfnissen k nnen zur Erzeugung der Schaltinformation eine ganze Reihe von M glichkeiten verwendet werden ZAG04 e N herungssensoren e Beschleunigungssensoren e Neigeschalter oder Fingerbeugeschalter e Ber hrungsschalter e Saug Blase Schalter e Gaumen Zungen Schalter Lidschlagschalter Ist zwar die Verwendung einer Steuerung f r den Mauszeiger nicht aber das zus tz liche Ausl sen eines Schalters m glich kann durch geeignete Software die Verweil zeit des Mauszeigers an einer bestimmten Stelle einen Mausklick ausl sen Dwell Schalter dwelling Die Dwell Zeit kann eingestellt werden und meist steht ein Aus wahlfenster f r alternative Klick Funktionen wie Rechtsklick Doppelklick und Ziehen Drag and Drop zur Verf gung 2 4 3 Sprach und Umgebungssteuerungen Spracherkennungssysteme f r die Eingabe am Computer und zur Steuerung der Haustechnik sind eine entscheidende Erleichte rung f r viele k rperlich behinderte Menschen Sinnvolle Systeme zeichnen sich durch einen universellen Einsatz mit vielen Ger ten des Haushalts aus Dies wird durch eine Lernfunktion f r die Sig nale der Infrarot Fernsteuerungen der Ger te und durch die Aus sendung von Funksignalen f r spezielle Haustechn
304. t Message gt in einem Dialogfenster dar void report_error char Message Stellt die Fehlermeldung lt Message gt in einem Dialogfenster dar void critical_error char Message Stellt die Fehlermeldung lt Message gt in einem Dialogfenster dar und beendet die Applikation Ale void add_to_listbox HWND hDlg int idc char str F gt die Zeichenkette lt str gt zu einem Listenelement eines Dialogfensters hinzu welches durch den Dialogbezeichner lt hDig gt und die Ressourcennum mer lt idc gt identifiziert wird 6 5 9 Modul Draw cpp Dieses Modul beinhaltet Funktionen zur Erstellung globaler Zeichenobjekte und zur Darstellung des Design Fensters mit den Element Icons und Verbindungen void init_draw void Erzeugt einige Zeichenobjekte wie Stifte Pens Pinsel Brushes und Zei chens tze Fonts in der DRAW Struktur void draw_object HDC hdc WORD t Zeichnet das Icon von Element Nummer lt t gt in den Ger tekontext lt hdc gt lt hac gt identifiziert die Zeichenfl che des Design Fensters Wenn Element lt t gt gerade selektiert ist wird es mit einem orangen Rand gezeichnet void draw_connections HDC hdc WORD t Zeichnet die Verbindungen von Element lt t gt zu den nachfolgenden Elementen in das Design Fenster void draw_captions HDC hdc WORD t Schreibt die Beschriftungen von Element lt t gt in das Design Fenster void draw_objects HWND hWnd Zeichnet das Netzwerk aller Elemente mit
305. t WM_RBUTTONURP rechter Mausknopf wurde losgelassen WM_DBLCLICK Doppelklick in das Fenster oder Kontrollelement WM _PAINT das Fenster wird gezeichnet WM _ACTIVATE das Fenster wird aktiviert F r eine Beschreibung weiterer Nachrichten und Fensterfunktionen sei auf das Mi crosoft Entwicklernetzwerk MSDN verwiesen 1022 6 4 Die Basisklasse f r BrainBay Elemente Die Definition der Basisklasse erfolgt im Modul base h Glass BASE CL Name der Basisklasse PUbDIEe ine Eype Typ des Elements ine Inports Sulportsz 7 7 Anzahl von Inpur Ur Output Pores int xPos yPos Position des Icons im Designfenster int width height Breite und H he des Element Icons char Cag l3015 Beschriftung des Element Icons HWND displayWnd Ausgabefenster f r das Element F OUTPORISELUCE OUL POrLS MAX PORTSL Name Beschreibung Wertebereich Einheit der Output Ports INPORTStruct In POr S MAX PORTOT A Name Beschreibung Wertebereich Einheit aktueller Wert FH der Input Ports LEINKSEF UCE Z0UEMAX CONNECTS F Quelle Elementnummer Portnummer und Ziel einer Verbind P dung Beschreibung Wertebereich Einheit der Verbiundung HWND hDlg Bezeichner f r den Benutzerdialog des Elements BASE CL Rod 143 Konstruktor der Basisklasse Initialisierung Ports und Verbindungen virtual BASE_CL void Destruktor der Basisklasse virtual void work void Hauptfunktion des Elements aufg
306. t erfolgt die Wiedergabe nur einmal pro Wechsel von INVALID_VALUE auf einen anderen Wert Die Einstellung Repeat In terval w hlt die minimale Dauer der Pause zwischen zwei Wiedergaben Der Wert Sample Buffer Size gibt die Gr e des internen Wiedergabepuffers vor Diese Ein stellung beeinflusst die Latenzzeit bei der Wiedergabe und die ben tigte Rechenzeit Werte um 2000 ergeben eine akzeptable Latenz auf einem 1 6 GHz Rechner Die Wertebereiche f r die Lautst rke und Widergabegeschwindigkeit werden von den angeschlossenen Signalen bernommen und k nnen durch den Benutzerdialog ma nuell ver ndert werden Die Option reverse invertiert den Zusammenhang des Input Ports speed und der Abspielgeschwindigkeit Der Wert f r Center gibt den Signalwert f r die originale Wiedergabegeschwindigkeit an und der Wert Factor bestimmt das Verh ltnis von Geschwindigkeits nderung zu Signal nderungen 199 7 6 3 10 Das TCP Sender Element Das TCP Sender Element dient zur bertragung von Signalkan len ber Netzwerk LAN oder Internet Die bertragung erfolgt ber eine TCP Socketverbindung und das Neuroserver Software Framework von Rudi Gilibrasi CILO3 c works eeg brainbay debug NETWORK nsd exe sfa x Um eine Verbindung aufzu NSD lt NeuroServer Daemon v 8 7 4 Windows Binding network socket at 8336 bauen wird die IP Adresse Socket bound Please start the modeegdriver Accepting from B8BB8H74 eines Host Computers ben Rec
307. t wird ein ent sprechend schnellerer Rechner ben tigt Ein 1 6 Ghz Pentium IV Rechner bietet aus reichende Rechenleistung f r Standardkonfigurationen den Bereichen Biofeedback und Echtzeitverarbeitung von Kamerabildern Eine Grafikkarte mit Hardwarebe schleunigung f r OpenGl Kommandos verbessert die Darstellungsgeschwindigkeit mancher Grafikausgaben wie des FFT Elements und des Particle Generator Ele ments signifikant 7 1 2 Download der aktuellen Programmversion Die ausf hrbare Applikation kann in Form eines komprimierten Paketes von der In ternet Seite http brainbay lo res org heruntergeladen werden Um dieses Paket zu entpacken kann ein beliebiges Dekomprimierungsprogramm f r rar Dateien ver wendet werden wie zB das Hilfsprogramm 7 zip kostenlos verf gbar unter http www 7 ZIp Org Derzeit beinhaltet das Download Paket keine eigene Anwendung f r die Installation der Applikation Durch das Dekomprimieren wird ein Unterverzeichnis mit dem Na men BrainBay erstellt welches die ausf hrbare Datei brainbay exe die ben tigten dil Dateien siehe 6 2 Unterverzeichnisse f r Programm und Konfigurationskom ponenten sowie Archivdateien und Demo Konfigurationen enth lt 130 7 1 3 Verzeichnisstruktur Im Verzeichnis der Applikation werden die folgenden Unterverzeichnisse erstellt e Archives beinhaltet Signalarchivdateien in den Formaten EDF European Data Format oder arc BrainBay spezifisches Archivformat f
308. t hFile void FILTEROBJ Zoll num ganz FILTEROBJ incoming_data Zoll port ganz Zoll value float load inout hFile void make_dialog save inout hFile void FFTOBJ Zoll num ganz FFTOBJ incoming_data Zoll port ganz Zoll value float load inout hFile void THRESHOLDOB J MIDIOBJ MIDIOBJ Zoll num ganz MIDIOBJ incoming_data Zoll port ganz Zoll value float load inout hFile void make_dialog save inout hFile void work THRESHOLDOBJ Zoll num ganz THRESHOLDOBJ empty_buckets incoming_data Zoll port ganz Zoll value float load inout hFile void make_dialog save inout hFile void Abb 5 3 Objektorientiertes Design Bezug der Elemente zur Basisklasse Auszug Die abgebildete bersicht stellt nur die prinzipielle Struktur dar sie zeigt lediglich ei nige wichtige Elementklasse werden weitaus mehr Eleme n F r die Bereitstellung der gew nschten Funktionalit t ntklassen ben tigt Ein Vorteil des objektorientierten De signs liegt auch in der leichteren Erweiterbarkeit durch neue Elementklassen da ein entsprechendes Rahmenwerk durch die Basisklasse gegeben ist 96 5 5 Gemeinsame Methoden f r die Objektklassen Die Konfigurationselemente stellen die funktionalen Bestandteile einer BrainBay Kon figuration dar Als sinnvoll erweisen sich Elemente f r Signalquellen verarbeitende Elemente Filter mathema
309. t wmId wmEvent switch message case WM_COMMAND wmId LOWORD wParam switch wmlId case IDM_ABOUT DEa18S9BOoXZ hHTNSt LPCISTR IDD ABOUTBOX hWnd DLGPROC About break case IDM_EXIT DestroyWindow hWnd break default return DefWindowProc hWnd message wParam lParam break default return DefWindowProc hWnd message wParam lParam returnm V In diesem Beispiel wird nur die Nachricht WM_COMMAND behandelt Eine Nachricht dieses Typs wird gesendet wenn eine Benutzerinteraktion mit einem Dialogelement wie einem Button einem Regler oder Listenfeld stattfindet Die ersten 16 bit des Pa rameters wParam identifizieren das betreffende Dialogelement ber eine Konstante In diesem Fall wird ein neues Dialogfenster dargestellt falls der Button IDM_ABOUT gedr ckt wurde Falls IDM_EXIT gedr ckt wurde wird das Fenster geschlossen Besitzt ein Fenster andere Kontrollelemente oder werden Zeichenfunktionen ver wendet sind eine Reihe von Nachrichten f r diese Aufgaben zu behandeln Hier nur ein paar Beispiele WM _INITDIALOG wird gesendet wenn das Dialogfenster erstellt wurde WM_CLOSE beim Schlie en des Dialogfensters WM _HSCROLL WM_VSCROLL bei Ver nderung eines Reglers Scrollbar WM_MOUSEMOVE wenn sich die Maus ber das Fenster bewegt WM_LBUTTONDOWN linker Mausknopf wurde gedr ckt WM _LBUTTONUP linker Mausknopf wurde losgelassen WM_RBUTTONDOWN rechter Mausknopf wurde gedr ck
310. tachfeedback Chris Yei gl Abb A 1 Die BrainBay Homepage erreichbar unter http brainbay lo res org Die Homepage wird von einem sterreichischen Provider aus der Kunst und Free ware Szene seit mehreren Jahren kostenlos gehostet http lo res org Diese Unter st tzung ist sehr wertvoll f r das Projekt und erm glicht die kostenfreie Verbreitung der Software Permanente Links bestehen vom OpenEEG Projekt und von privaten Seiten mehrerer Benutzer und Benutzerinnen 180 A 2 Homepagezugriffe und Statistiken Die Statistiken von Google Analytics zeigen die Aufrufe der Seite aus dem Internet mit Angabe der geographischen Lokation der Aufrufer Die folgende Weltkarte zeigt Seitenbesuche mit Downloads der vergangenen zwei Monate Landkarten Overlay brainbay lo res org 15 09 2006 10 11 2006 Vorherige lt 1 176 176 gt Weiter Anzeige 1 500 Filter Landkarten Ovenay Abb A 2 Geographischer Ursprung der Zugriffe auf diie Homepage Es l sst sich eine starke Konzentration auf Europa und die Vereinigten Staaten er Kennen wobei aber auch Aufrufe aus Russland China Indien Australien Neusee land und Brasilien vertreten sind Die Aufschl sselung nach L ndern zeigt eine star ke Pr senz von Aufrufen aus den USA gefolgt von Deutschland Kanada Italien und den Niederlanden Osterreich ist in dieser Liste an zw lfter Stelle vertreten Das ver h ltnism ig gro e Interesse aus d
311. talisiert und mit dem bertragungsprotokoll gesendet Durch eine entsprechende Auswertung in der PC Software kann die Neigungsinformation zur Steuerung der Cursor Position verwendet werden Die EMG Elektroden sind modifizierte EKG Klebe elektroden vom Typ BlueSensor F r eine einfachere Ap plikation in der Kappe wurde der Klebering entfernt der Kontakt zur Stirn entsteht zur das Aufsetzen der Kappe Das leitende Element der Elektroden befindet sich in ei nem gelgetr nkten Schw mmchen Eine Mehrfachver wendung ist durch das Befeuchten des Schw mmchens mit ein paar Tropfen Salzwasser problemlos m glich Die Elektroden werden ber Standard Konnektoren mit den Kabeln verbunden und sind somit auch leicht zu wechseln Es werden zwei EMG Kan le am M frontalis abgenom men die Amplitude wird in der Software aufbereitet und dient zum Ausl sen von linkem und rechtem Mausklick In der Evaluation erwies sich das Interface als leicht erlernbar und praktikabel da schon eine geringe Neigung des Kop fes bzw ein leichtes Heben der Augenbraue zuverl ssig ausgewertet werden konnte Im praktischen Test erwies sich jedoch eine kamerabasierte Steuerung des Cursors als komfortabler f r den Benutzer bzw die Benutzerin siehe 7 7 5 Abb 3 23 Komponenten und Einsatz der Messkappe 70 3 3 3 3 Aktive EEG Elektroden Im Rahmen des OpenEEG Projektes entstand ein Konzept f r aktive EEG Elektroden die sich f r eine Verwendung ohne Kontak
312. tation re und nichtstation re Signale in SMIO1 Abb 4 2 Histogramm und Wahrscheinlichkeitsdichte in SMIO1 Abb 4 3 Frequenzantwort von Chebyshev Butterworth und Bessel Filtern in SMIO1 Abb 4 4 Step Antwort von Chebyshev Butterworth und Bessel Filtern in SMIO1 Abb 4 5 Auswirkungen von Tiefpass und Hochpassfiltern in SMIO1 Abb 4 6 Die Darstellung eines Signales im Frequenzbereich durch die DFT in SMIO1 Abb 4 7 Frequenzantwort eines Tiefpass Filters in der Polardarstellung in SMIO1 Abb 4 8 Aufbau eines neuronalen Netzes mit 3 Schichten bzw einer einzelnen Unit in SMIO1 Abb 4 9 Klassifikation mit Support Vektoren in BUR98 Abb 4 10 Einzelne Merkmale eines Harr Olassifiers in BRA05 Abb 4 11 Analyse von EEG Daten mit EEGLab in DELO6 Abb 4 12 Scilab eine freie Alternative zu Matlab Online Ressource 1 8 2006 http www scilab org Abb 4 13 3D Darstellung von EEG Daten mit TEMPO SAMO5 Abb 4 14 Frequenzdarstellung mit BioExplorer Online Ressource 12 6 2006 http cyberevolution com Abb 4 15 FidView Filter Designer von Jim Peters PETO3 Abb 4 16 Wavelet Analyse von EEG Daten mit BwView PETO2 Abb 4 17 BioEra Applikation f r Biofeedback Online Ressource 1 7 2006 http www bioera net Abb 5 2 Grafisches Design einer Signalverarbeitung in Simulink MAT 06 Abb 5 5 Windows Message Loop Online ressource 1 11 2006 http www microsoft com taiw
313. te vom Minimum bis zum Maximum des Wertebereiches Quantisierungsstufen Die Aufl sung wird in Bit gemessen beispielsweise k nnen bei einer Aufl sung von 10 Bit 2 1024 Wer te unterschieden werden bei 16 Bit sind es 65536 Bei der Digitalisierung wird f r einen analogen Wert immer der bestm gliche ganzzahlige Wert ermittelt Dadurch entsteht ein Quantisierungsfehler in der Gr e von 2 LSB least significant bit der kleinste unterscheidbare Wert Anders ausgedr ckt wird durch die Abtastung ein zuf lliges St rsignal zur Messung hinzugef gt SMIO1 Die Samplerate gibt an wie oft eine Diskretisierung vorgenommen wird Sie liegt bei Biosignalableitungen meist im Bereich von 100 2 000 Hz Hier ist entscheidend dass nur Signale fehlerfrei durch die Abtastung erfasst werden k nnen die keine Frequenzkomponenten haben welche gr er sind als die H lfte der Samplerate Nyquist Frequenz Shannon Sampling Theorem Dies ist deshalb der Fall weil nur Frequenzkomponenten die langsamer als die halbe Abtastfrequenz sind durch die digitalisierten Werte eindeutig repr sentiert werden k nnen Wird z B eine Sinuswel le mit einer Frequenz abgetastet die nur geringf gig gr er ist als ihre eigene Fre quenz entsteht durch die Abtastung der Eindruck es handle sich um eine Welle mit viel niedrigerer Frequenz Aliasing Alle Frequenzkomponenten die gr er sind als die H lfte der Samplingfrequenz erscheinen durch das Aliasing in der D
314. teigt sie ber 41 Grad ist dies lebensgef hrlich Unter k rperlicher Belastung steigt die Tem peratur auf bis zu 39 Grad an der K rper kann dann h here Leistungen erbringen Die Messung der Temperatur erfolgt ber einen w rmeempfindlichen Widerstand NTC oder ber hrungsfrei durch Messung der Infrarotabstrahlung Moderne Tempe raturf hler k nnen die K rpertemperatur binnen weniger Zehntelsekunden messen Im Biofeedback ist das Temperaturfeedback eine wichtige Methode die aktive Kon trolle der K rpertemperatur kann dadurch erlernt werden Diese Methode wird unter anderem zur Entspannung zur Durchblutungsf rderung und zur Bek mpfung von Phantomschmerzen eingesetzt SHEO5 26 2 2 3 Blutvolumenamplitude Bei der Infrarot Photoplethysmographie wer den Erweiterungen oder Verengungen der plethysmograph Blutgef e Vasodilatation bzw Vasokonstrik Dol Blutvolumenpuls tion durch die Reflexion von Infrarotlicht ge pho gt Iter Bastintenval messen Das Infrarotlicht wird von einer IR 77 Leuchtdiode ausgesendet dringt ins Gewebe h ein und wird zu einem Teil reflektiert Das re kE flektierte Licht trifft auf einen Phototransistor _r der seine Leitf higkeit entsprechend ndert Diese Methode eignet sich zur Abnahme der Abb 2 18 Funktionsweise der Infrarot Herzfrequenz von der K rperperipherie zur PERE Messung der Blutvolumenamplitude und f r das Vasokonstriktionstraining im Biofeed
315. teil der Aktivit t unter 500HZz stattfindet DAHO5 H ufige Ableitungspunkte f r das EMG sind der Nacken und R ckenbereich zur Behand var Frontais lung von Verspannungen die Gesichts und Media Frontals Stirnmuskulatur faziales EMG Abb 2 2 zur epressor Superciti Procerus Therapie chronischer Kopfschmerzen die Ce C Muskeln des Unterarmes zur Verwendung als Kontroll und Steuermedium sowie Bi Dass AO O zeps und Beinmuskulatur in der Sportphysio logie und Biomechanik des Bewegungsappa rates DAHO5 Abb 2 2 Ableitungspunkte des fazialen EMG Eine n tzliche Technik zur Signal u aufbereitung des EMG ist die Mit A telung der absoluten oder quad rierten Signalwerte da dadurch ein direkter Bezug zur Muskelan spannung hergestellt werden kann Abb 2 3 oben zeigt das originale EMG Signal das aus schnellen Schwankungen von po sitiven und negativen Werten be ee steht Hauptfrequenzbereich 50 een 200 Hz Amplitude ca 400 uV N Abb 2 3 unten zeigt das aufbe reitete Signal das als ein Ma f r die makroskopische Anspannung des Muskels verwendet werden SEE kann EEE nie a RL N jT Wu i N du ll u Hin Abb 2 3 EMG Signalaufbereitung durch Mittelung von Absolutwerten Weiters eignet sich die Fourier Transformation zur Analyse des Frequenzgehaltes Weitere Informationen zur Signalaufbereitung siehe 4 Softwaremethoden Das EMG ist eine wichtige diagnostische M glichke
316. tellt um ein ge w nschtes Gesamtbild zu erzeugen Durch die Auswahlbox Remote Control By l sst sich ein Parameter automatisch vom Wert eines Input Ports steuern Durch Bet tigung der Schaltfl chen Get Minimum und Get Maximum wird der aktuel le Wert des Parameters als neuer Minimalwert oder Maximalwert definiert Wird der Parameter durch einen Input Port gesteuert so erfolgt eine Konvertierung vom Wer tebereich des angeschlossenen Signals auf den eingestellten Bereich zwischen Mi nimum und Maximum Durch Reset Min and Max k nnen die Grenzen wieder auf die urspr nglichen Werte zur ckgesetzt werden Da die grafische Realisierung des Par tikelsystems vor allem bei vielen Partikeln aufw ndig ist wird die Verwendung ei ner Grafikkarte mit OpenGH Beschleunigung empfohlen 7 6 3 7 Das Midi Output Element Midi Dutput Output Interval Output Device Microsoft GS Wavetable 5 Channel g Instrument Music Box cr Controller Tone Scale All Tones Import Tones Hold Buffer B Volume Range 120 to 120 play only changes D W mute Midi Output Abb 7 42 Parameterdialog des Midi Output Elementes Das Midi Output Element stellt Midi Audio R ckmeldungen f r verbundene Signale zur Verf gung Tonh he und Lautst rke werden durch eingehende Signalwerte auf den Input Ports 1 und 2 beeinflusst Der Wertebereich der angeschlossenen Signale wird auf die eingestellten Grenzen f r die Lautst rke Volume Range bzw auf di
317. tet und gelangt durch Einst lpun gen in der Membran sogenannte T Tubuli in die Tiefe der Muskelfaser FRI98a Zeigt das muskelversorgende Motorneuron in der Ruhephase keine oder nur kaum Aktivit t so ist das Sarkomer das die grundlegende funktionelle Einheit des Mus kels darstellt entspannt Bei Eintreffen von Impulsen in der neuromotorischen Synapse wird Cat aus intrazellul ren Speichern freigesetzt Die steigende Calzium Konzentration bewirkt eine Bindung des aktiven Motorproteins Myosin an die Aktin Filmamente und anschlie end eine Bewe gung der Myosin Filmamente Dadurch verk rzt sich das Sarkomer der Muskel kontrahiert siehe Abb 1 15 Bei diesem Prozess wird Energie in Form von ATP ver braucht Sinkt nach Beendigung der elektrischen Stimulation die Calzium Konzentration wie der entspannt sich das Sarkomer und der Abb 1 15 Transmitterfreisetzung an der neuro Muskel erschlafft FRI93a muskul ren Endplatte Eine erneute Erregungs bertragung ist erst wieder m glich nachdem transmit terspaltende Enzyme AcetylIcholinesterase den Transmitterstoff deaktivieren und die Spaltprodukte des Transmitters Cholin und Essigs ure in das Endkn pfchen des Axons zur ckdiffundieren wo sie unter Energieverbrauch zu Acetylcholin re synthetisiert und wieder in den synaptischen Bl schen gespeichert werden FRI938a 1 2 10 Das Nervensystem Die Gesamtheit der Nervenzellen des Organismus bildet das Nervensystem
318. teuerte Orthese 2 24uu0s022000000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 48 X Abbildungsverzeichnis Fortsetzung Abb 2 42 P300 BCI f r das Buchstabieren 2222222000422000000000000nnnnnnnnnnnn nn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnennnn 49 Abb 2 43 Komponenten eines Direct Brain Interface uuss02400400000000nnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnne nenn 49 Abb 2 44 Struktur und Komponenten der BCI2000 Applikation uss0220440000Bnnnnnnn en nnnnnnnneennn 50 Abb 2 45 Beispiele f r m gliche BCI Applikationen in BCI2000 22u002424000Bnennnennennnn nennen een 51 Abb 2 46 Einstellungsm glichen der ModularEEG Signalquelle f r BCI2000 u02 51 Abb 3 1 Typische Elemente einer Messkette uuus004000000000nennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnn nn 52 Abb 3 2 Unterschiede zwischen monpolarer und bipolarer Ableitung s22222000222200 222220 53 ADD 3 3 Der Elekrode Haur Kontaktiere 53 Abb 3 4 Kapazitive Einkopplung von 50Hz Noise uss2222420000nnennnnnnnnnennnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 54 Abb 3 5 Aufbau eines Differenzverst rkers uuss2uuuuesnssnnesnnnnnnennnnnnennnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennennnnnnnnnn 56 Abb 3 7 Inadequate Samplingrate Aliasing uuuss004204000000nnnnnnn en nnnnnnnnnnnnennnnennnnnnnnnennnnnnnnn
319. tgel eignen Durch eine Im pendanzwandlung mittels Operationsverst rker TLC272 direkt auf der Elektrode wird das Problem der Signalst rung durch Einkopplung in die Elektrodenkabel ent sch rft und eine Verwendung mit h heren unbalanzierten Impedanzwerten f r den Haut Elektrode bergang ist dadurch m glich Das Design stammt von Jarek Fol tinsky und J rg Hansmann und wurde von eini gen Mitgliedern der OpenEEG Gemeinschaft umgesetzt und evaluiert OPEO4 Obwohl eine erfolgreiche Verwendung ohne Kontaktgel von mehreren Personen berichtet wurde konnte die zuverl ssige und dauerhafte Ableitung des EEG ohne Gel vom Autor dieser Arbeit leider nicht verifiziert werden ORTO5 Abb 3 24 Aktive Elektroden f r das OpenEEG 3 3 5 4 Weitere Sensoren Die Anfertigung von Sensoren f r zus tzliche Biofeedbackparameter wie Atmung Hauttemperatur und Hautleitwert w re mit einem relativ geringen Aufwand m glich e Die Atmung k nnte durch ein Dehnungmesselement auf Basis eines Piezo Wandlers oder durch einen Schiebewiderstand ermittelt werden Eingearbei tet in einen G rtel k nnen diese Bauelemente nderungen des Brust oder Bauchumfanges messen Zur Auswertung w rde sich ein freier A D Wandler Port des Mikrokontrollers eignen e Zur Ermittlung der Hauttemperatur k nnte ein w rmeempfindlicher Wider stand NTC eingesetzt werden Geeignet w re z B ein SMD Typ mit 100kOhm Widerstand bei Raumtemperatur Um einen aktiven Bere
320. thogonalit t Sie eignet sich zur Sepa ration unbekannter Signalquellen blind source separation in statistisch unabh ngige Komponenten und wird erfolgreich zur Artefaktkorrektur in Biosignalen eingesetzt wo etwa der Gehalt des EOGs aus dem EEG bei bestm glicher Beibehaltung der EEG Wellen entfernt werden soll Bei der ICA werden zur Separation von N Quellen min destens N Signalableitungen ben tigt die Aufteilung in Komponenten erfolgt nach r umlichen Kriterien MAKO0 4 6 3 SVMs Support Vector Machines SVMs eignen sich f r eine bin re Klassifizierung eines Eingabevektors Das Er gebnis der Klassifizierung ist positiv enthalten oder negativ nicht enthalten Durch ein Training mit Da tens tzen erfolgt eine Aufspaltung des Merkmalsrau mes in zwei H lften wobei eine Hyperebene durch die Trainingsdaten gelegt wird die eine maximale Distanz zu positiven und negativen Ergebnissen ga rantiert Rand Margin Bei der Pr sentation eines neuen Vektors f llt dieser in eine H lfte und wird ent B sprechend klassifiziert Im Unterschied zu Neuronalen ea Netzen finden SVMs immer ein globales Minimum BUR98 Abb 4 9 Klassifikation mit Support Vektoren 83 4 6 4 Merkmalsextraktion in der Bildanalyse Bei der Analyse von Kamera und Videobildern hat man es mit einer sehr gro en Datenmenge Helligkeits und Farbwerte und oft mit komplizierten Klassifikations problemen zu tun etwa bei der Gesichts oder Mimik
321. tis Die Atlantis Reihe ist die Fortsetzung der Brainmaster Produkte f r Bio und Neuro feedback Das gezeigte Modell bietet im Unterschied zu den preisg nstigeren 2 Kanal Modellen der Brainmaster AT 2W Reihe eine Medizinzulassung Ein spezielles Feature ist die kontinuierliche Impedanzpr fung auch w hrend der Messung 61 3 2 4 Symtop EEG Verst rker we CMMR 98 dB Notch Filter 50Hz 6f eene Nie lt 25 pVop Hochpass Filter 1Hz 3Hz 10Hz ri Tiefpass Filter 15 30 45 60 120 Hz aN Samplerate Abb 3 13 Symtop EEG Schnittstelle 3 Smt Spannungsversorgung Mediznzulassung ja ooo y 4 000 16 Kan le Symtop er http www symtop com Tabelle 3 5 Technische Daten Symtop EEGAmplifier Dieses Ger t bietet w hlbare Filtereinstellungen und befindet sich in der unteren Preisklasse f r Vielkanalverst rker Noise Charakteristik und Samplerate entspre chen allerdings nicht den Vorraussetzungen zur Messung evozierter Potenziale mit hoher Bandbreite und geringer Amplitude 3 2 5 Leonardo EEG Verst rker Leonardo 24 Kanal EEG Verst rker EEG CAP 24 kombinierbar bis 256 16 bi 0 1 Mikrovolt 130 dB lt 0 6 uVpp 0 016Hz IkHz 0 01Hz SkHz 200 10 kHz seriell USB Spannungsversorgung Netzteil Medizinzulassung 5 000 asus Sagura Inc Leonardo AeBIEIEL http www polysomnograph com Tabelle 3 6 Technische Daten Sagura Leonardo RS232 12V On cal Der Leonardo EEG Verst
322. tische Transformationen etc und Signalsenken Jedes Konfigurationselement besitzt eine eigene Objektklasse welche die objektspezifi schen Methoden und Variablen beinhaltet Die virtuellen Methoden der Basisklasse dienen folgenden Aufgaben e Empfang und die Weiterleitung von Werten Methoden incoming_data work e Starten und Stoppen der Verarbeitung Methoden session _start session_stop e Positionierung in Archivdateien Abfrage der Archivl nge Methoden session_pos int position e Laden und Speichern von Element Parametern Methoden load file save file e Weiterleitung von Werten an verbundene Elemente Methode pass_values 5 6 Konzepte f r das User Interface Als Strategie f r die grafische Benutzeroberfl che eignet sich ein Hauptfenster mit einem gro en Zeichenbereich f r das Anlegen der Konfiguration Das Men des Hauptfensters enth lt Funktionen zum Laden und Speichern des Designs M glich keiten f r das Einf gen von Elementen und den Aufruf von Dialogen Optionen Tools Hilfe Durch das Einf gen eines Elementes in den Zeichenbereich des Hauptfensters wird ein Elementsymbol mit den verf gbaren Input und Output Ports dargestellt Diese Symbole k nnen grafisch angeordnet und verbunden werden Eine Verbindung von zwei Elementen definiert einen Datenfluss von Output zu Input Port Die Parameter der einzelnen Elemente k nnen durch spezifische Benutzerdialoge eingestellt wer den Durch das Anklicken
323. traktion als 3D Fourier Analyse und im Oszilloskop 0 00 u Time 1317 9 sec Status Session paused Archive 0 0 in R 768 3 Goto 035 Abb 8 12 Laufendes Muskeltraining Z hlen und Aufsummieren der Kontraktionen Die EMG Aktivit t an den beiden Ableitungsorten am rechten und linken Oberschen kel wird im Oszilloskop und in den beiden Aktivit tsfenstern RECHTS und LINKS dargestellt Dort sichtbar sind auch die eingestellten Grenzwerte Die Zahlen geben die Anzahl der durchgef hrten Kontraktionen an der mittlere Balken zeigt den Ge samtfortschritt 8 4 Steuerung eines Films durch Aktivit t am Home Trainer Die folgende Anleitung illustriert die Verwendung eines externen Schalters zur Kon trolle der Geschwindigkeit einer Filmwiedergabe Der Schalter dient zum Abfragen der Drehgeschwindigkeit des Rades eines Home Trainers F r diese Anwendung eignet sich am besten ein Reed Kontakt Magnetschalter da dieser ber hrungsfrei durch das Passieren eines Magneten geschlossen wird Abb 8 13 Komponenten und Befestigung des Schaltkontaktes zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit Abb 8 13 zeigt einen Magneten und den Reed Kontakt links sowie die Befestigung von Magnet und Reed Kontakt am Hometrainer rechts 168 Der Schalter wird direkt mit einem digitalen Eingang PDT PD4 des ModularEEG verbunden Der momentane Zustand des Schalters ist somit durch den Output Port B1 B4 des EEG Elementes in der
324. troden und eine geeignete Befestigungsm glichkeit Elektrodencap bzw band bei einem Kauf im Medizinfachhandel bereits die gesam ten Hardwarekosten f r den Verst rker bersteigen ist eine Eigenentwicklung nur konsequent Als Teil dieser Arbeit wurden aus Reinsilber chlorierbare Silberelektro den angefertigt die durch ein flexibles Band positioniert werden k nnen Dieses Set ting eignet sich f r monopolare oder bipolare Ableitungen von bis zu drei EEG Kan len Die Bezugspotenzialsteuerung wird mit einer handels blichen Einweg EKG Klebeelektrode am Arm befestigt Abb 3 22 Montage der DIY Silberlektroden f r die EEG Ableitung Eine Elektrode besteht aus einem etwa 5mm x 8mm x 1mm gro en St ck Reinsilber das an den Ecken abgerundet wurde Das Silberst ck wird an ein geschirmtes ein poliges Kabel angel tet Die Schirmung des Kabels wird konnektorseitig am Modular EEG mit dem virtuellen Grundpotenzial VGND verbunden Elektrodenseitig bleibt die Schirmung ohne Verbindung und wird mit einem Schrumpfschlauch an der Ka belh lle fixiert Das Silberst ck wird mit Hei kleber in eine Plastikh lse geklebt Die se H lse stammt von einem Faserschreiber sie dient zur Befestigung der Elektrode in einem Plastikr hrchen Das R hrchen passt genau in die L cher eines Gummi bandes zur Elektrodenpositionierung Da das Gummiband durch einen Klettver schluss an beliebiger Stelle am elastischen Kopfband angebracht werden kann sind fa
325. ts height CON_START inports CON_HEIGHT J5 neue H he des Elementsymbols berechnen InvalidateRect ghWwndDesign NULL TRUE Designfenster neu zeichnen void DEMOOBJ session_start void wird beim Starten der Session durch den Play Button aufgerufen report Session has been started void DEMOOBJ session_stop void wird beim Beenden der Session durch den Stop Button aufgerufen report Session has been stopped void DEMOOBJ session_reset void wird beim R cksetzen der Session durch den Reset Button aufgerufen report Session has been reset void DEMOOBJ session_pos long posS wird beim Andern der Position in einer Archivdatei aufgerufen char sztemp 50 sprintf sztemp Session has been positioned to d pos report sztemp Ausgabe der aktuellen Position Nun fehlt noch die Nachrichtenbehandlungsroutine f r die Interaktion mit dem Benut zerdialog Der Dialog wird durch die make_dialog Methode dargestellt Die Nach richten f r Initialisierung Interaktion mit den Dialogkomponenten und Beendigung des Dialogs werden behandelt 126 LRESULT CALLBACK DemoDlgHandler HWND hDlg UINT message WPARAM wParam LPARAM lParam DEMOOBJ st st BEMOOBI 7 EcEobJ8CH actobject zeigt auf das gew hlte Element durch den Type Cast wird ein Zugriff auf die public Variablen des Objektes m glich switch message Behandlung der erhaltenen Nachricht
326. tstellenport und die Ubertragungsgeschwindigkeit eingestellt 57600 Baud sind f r eine Ubertragung von 6 Kan len des ModularEEG mit 256 Hz ausreichend F r die Nutzung der vollen Bandbreite des MonolithEEG wird eine Ubertragungsge schwindigkeit von 460 800 Baud ben tigt Im Bereich Refresh Intervals wird die Aktualisierungsgeschwindigkeit der grafischen Displays eingestellt User Dialogs gibt den Wert f r die Parameterfenster der Ele mente vor Display Windows setzt Zeichengeschwindigkeit f r die Ausgabefenster der Elemente wie Oszilloskop Fenster FFT Darstellung oder Balkendarstellungen Diese Werte werden in Samples angegeben Ein Wert von 5 bedeutet eine Aktuali sierung wenn 5 Samples verarbeitet wurden das w re bei einer Samplerate von 256 etwa alle 19 5 Millisekunden Der Bereich Midi Audio Output dient zur Auswahl der Midi Ausgabe Ger te die in der Applikation verf gbar sein sollen Ein Midi Ausgabeger t k nnte eine Soundkarte oder ein externes Midi Ger t wie ein Keyboard ein Sampler oder ein Drum Computer sein Durch Cable paitch Treiber wie die kostenlose Software MidiYoke werden virtuelle Midi Ger te im System angemeldet was einen Transfer von Midi Kommandos in andere laufende Applikationen erm glicht http www midiox com myoke htm Um ein Midi Ger t in BrainBay zu verwenden wird es in der Aus wahlbox ausgew hlt und zur Liste der aktiven Ger te hinzugef gt Um ein Ger t zu l schen wird es in der Liste doppelt
327. twicklung von unterschiedlichen Systemen zur kamerabasierten Computerinterak tion mittels preisg nstiger Webcams Das CameraMouse System kann beliebige K rperstellen wie die Nase die Lippe oder den Daumen zur Maus Kontrolle verwen den Links Rechts oder Doppelklicks werden durch Verweilzeit dwelling erm g licht Das verwendete Verfahren vergleicht die Intensit tswerte des gew hlten Merk mals mit dem Live Kamerabild Template Matching k Ba 1 i Es Abb 2 34 Bewegungsverfolgung durch das CameraMouse System Bei einer Aufl sung von 320 x 200 Bildpunkten l sst sich auf einem Pentium IV Rechner eine Framerate von 30 Hz erreichen Durch ein Zwei Computer Setup kann die Rechenleistung eines Systems f r die Bildverarbeitung eingesetzt und der zweite Computer f r die Benutzeraufgaben verwendet werden Von zw lf Testpersonen mit Behinderungen die an der Studie des Jahres 2002 teilnahmen wollten neun Perso nen das System weiterverwenden BETO2 Im Eye Keys System 2004 setzten Magee Scott und Betke eine Standard Webcam zur Blickrichtungsbestimmung ein Sie konnten eine robuste Unterschei dung von linker und rechter Blickrichtung durchf hren Diese Information kann ein bestehendes System unterst tzen oder zur Verwendung von Scanning Software die nen MAGO4 2005 zeigen Betke und Chau sowie Grauman Betke und Gips die Lokalisation der Augen Eye Tracking und die Detektion des Lidschlages zur Verwendung in HCI Syst
328. tz durch EMG Barretto und Scargle 2000 verwendeten die EMG Signale von Gesichtsmuskeln M temporalis und M frontalis zur Bewegung des Maus Cursors und zur Ausl sung von Mausklicks Die charakteristische Frequenzverteilung der EMG Signale bei bestimm ten Bewegungen erm glicht die Auswahl einer Funktion Eine weitere Elektrode ber der Okkzipitalregion des Kopfes misst die Alpha Aktivit t im EEG Dadurch kann das System durch das Schlie en der Augen aus und eingeschaltet werden Die Elektro den sind in einem Stirnband befestigt die Analyse der Signale erfolgt durch eine Signalprozessorkarte BARO00 Wheeler und Jorgensen NASA Ames Research Cen ter entwickelten 2003 ein System das EMG Signale des Unterarms zur Steuerung eines Flugsimulators verwendet Die Klassifikation der Muskelsignale er folgt durch Hidden Markov Modelle HMM die mit den Daten der unterschiedlichen Bewegungen trai niert werden Durch ein Armband mit trockenen Elekt roden konnte ein virtueller Joystick mit f nf Funktio nen realisiert werden Die Verwendung von Klebe elektroden verbesserte die Zuverl ssigkeit der Mes Abb 2 29 Steuerung eines Flugsimula sung sodass neun Steuerkommandos unterschieden tors mit EMG Signalen werden k nnen WHEO3l Jeong Kim und Choi zeigten 2004 eine Methode f r ein HCI System bei der das EMG der Gesichtsmuskulatur M frontalis zur Steuerung des Mauszeigers abge nommen wird Durch Zusammenpressen des Kiefers
329. tzt werden kann Zusammenfassend kann gesagt werden dass viele der Designziele mit der derzeitig vorliegenden Softwarel sung erreicht worden sind Dennoch zeigten sich vor allem bei der Verwendung der Software durch Dritte einige Unklarheiten bzw Anderungs und Erweiterungsw nsche 9 2 Bestehende Einschr nkungen BrainBay befindet sich in einem Prozess laufender Ver nderungen und Entwicklun gen Viele der verbesserungsw rdigen Details treten erst bei einer praktischen Ver wendung der Software zu Tage Nachdem BrainBay als Downloadpaket im Rahmen des OpenEEG Projektes verf gbar ist siehe Anhang A BrainBay Homepage konnten einige Probleme durch das Feedback der internationalen Usergemeinschaft erkannt und behoben werden Ein gro er Teil der Verbesserungsw nsche betraf bis her Unklarheiten bzw Fehler in der grafischen Benutzeroberfl che etwa verdeckte Fenster fehlende Statuszeile Probleme bei der Miniaturisierung und Wiederherstel lung des Hauptfensters Beschriftung in grafischen Ausgabedialogen usw Diese Fehler sind im Allgemeinen leicht zu korrigieren und werden bis zur n chsten Re lease der Distribution behoben Ebenso kamen von manchen Verwendern Anregungen zur Erweiterung der Konfigu rationselemente von einigen Teilnehmern wurden die nderungen auch aktiv unter st tzt Dazu geh rten die Darstellung von Float Werten durch das Counter Element Ausgabe von Werten in eine CSV Textdatei durch den File Writer dynamische
330. uentielle Reihen folge von Werten erzeugt so l sst sich der Film in entsprechender Geschwindigkeit abspielen auch ein R ckw rts Abspielen des Films ist m glich Die Einzelbilder werden in einem eigenen Fenster dargestellt Eine eventuell vorhandene Tonspur der AVI Datei wird nicht behandelt Diese Funktionalit t stellt das Media Player Element zur Verf gung Ein passender Video Codec muss zur Dekomprimierung der AVI Datei am System installiert sein 153 7 6 3 2 Das Com Writer Element COh4WRITER sus eges Command 129 Datal Doo Dataz oo enable triggered sending of above frame Abb 7 37 Parameterdialog des Com Writer Elementes Das COM Writer Element kann verwendet werden um Kommando oder Datenwerte an einen angeschlossenen Monolith EEG Biosignalverst rker zu senden falls dieser im bidirektionalen Protokoll P21 betrieben wird Dadurch k nnen Einstellungen wie die Baudrate oder die Samplerate sowie digitale Ausgabeports des MonolithEEG w hrend der Laufzeit ge ndert werden Ein Kommando oder Datenpaket besteht aus drei Bytes die im Benutzerdialog des Elements festgelegt werden k nnen Das Paket wird durch ein Bet tigen der Schaltfl che Send Command bermittelt Ist die Option enable triggered sending aktiviert wird das Paket automatisch gesendet so bald am Input Port ein Wert ungleich INVALID_VALUE eintrifft 7 6 3 3 Das EDF FileWriter Element EDF Wriber witeto U workstEEGSBrainBay deb
331. uf ob_threshold cpp Erm glicht die Einstellung von oberen und unteren Grenzen f r ein Signal zeigt den aktuellen Signalwert Diese Grenze k nnen fix oder variabel und die Signalgrenzen in einem GDI Zeichenfenster dynamisch aufgrund der vergangenen Signalwerte gew hlt werden ee U put Signal ob_wav cpp Durch die Eingabewerte getriggerte verwendet SDL_SOUND und Wiedergabe einer Sound Datei mit modplug dll f r die Sound einstellbarer Geschwindigkeit ausgabe Tabelle 6 1 Source Module der Brainbay Applikation 115 6 7 Signalverarbeitung durch die Konfigurationselemente Die interne Signalverarbeitung erfolgt durch einen Datenaustausch zwischen den Elementen der Design Konfiguration Jeder Output Port eines Elementes kann gra fisch mit einem oder mehreren Input Ports anderer Elemente verbunden werden Je der Input Port kann eine Verbindung aufnehmen Floating Point Werte werden perio disch entlang dieser Verbindungen transferiert Die Geschwindigkeit dieser Weiterlei tung ist durch die eingestellte Samplefrequenz gegeben Werden die Biosignal Rohdaten von der Verst rkerhardware geliefert so erfolgt die gesamte Weiterleitung durch die Elemente mit dieser Frequenz Die Reihenfolge der Aufrufe ist durch die Verbindungen der Elemente bestimmt Elemente die Daten generieren werden vor Elementen aufgerufen welche diese Daten empfangen Die Sortierung der Elemente wird beim Einf gen neuer Elemente bzw beim Erste
332. uf die Person konzentriert sich auf das auszuw hlende Symbol und z hlt mit wenn es erleuchtet wird Abb 2 42 P300 BCI f r das Buchstabieren Nach einer Anzahl von Mittelungen des Signals kann der Unterschied in der P300 Komponente festgestellt und das Symbol damit ausgew hlt werden Ein Vorteil der P300 BUl ist die kurze Trainingszeit da die P300 Komponente nicht erlernt werden muss Eines der ersten P300 BClIs wurde von Farewell und Donchin 1988 realisiert Eine 6x6 Matrix mit den 26 Buchstaben und weiteren Symbolen diente zur Eingabe von W rtern die dann ber einen Sprachsynthesizer ausgegeben werden konnten Zur Erkennung der P300 wurde ein schrittweise Diskriminanz Analyse SWDA durchgef hrt FAR88 Sp tere Systeme hatten das Ziel die Anzahl der Mittelungen zur Unterscheidung herabzusetzen und die Erkennungsrate durch andere Algorith men wie ICA oder Wavelet Transformation zu verbessern Bayliss 2001 experimen tierte mit einem System das eine VR Umgebung zur Stimuluspr sentation nutzt Hier konnte die P300 Komponente bei der Unterscheidung weniger Symbole teilwei se schon durch einen einzigen Versuch erkannt werden BAY00 2 5 5 Direct Brain Interfaces Beim Direct Brain Interface DBI werden die Signale nicht von der Kopfoberfl che sondern direkt vom Kortex oder von tiefer liegenden Hirnregionen abgenommen Da durch l sst sich eine bessere Qualit t der Ableitung und ein h heres Signal Rausch Verh ltnis er
333. ugARCHIVESNtest edt meee Patient standard EEG Device Modular EEG Unit Channels 2 Segments jo Segment Duration Samples 5 egment 256 SamplingratelHz 256 EOF WRITER Channel i EEG Channel 1 Label EEG Channel 1 Tranzducer Ag AgCl Electrode Fhusical dimension UV Physical minimum 1 256 Physical maximum 256 Frefiltering HF 0 16Hz LF 55Hz Digital minimum o Digital maxsimum 11024 Status Sina Le en Abb 7 38 Parameterdialog des EDF FileWriter Elementes Das EDF FileWriter Element dient zur Erzeugung einer Archivdatei im Format Eu ropean Data Format EDF Eine EDF Datei speichert an ihrem Beginn eine Reihe von Informationen ber die Biosignalaufzeichnung EDF92 Das Datum die Samplingrate die Signalkan le sowie die Wertebereiche der Signale werden auto matisch vom aktuellen Setting bernommen 154 Personeninformation verwendete Hardware und Kanalbeschreibungen k nnen durch den Benutzerdialog des EDF FileWriter Elements festgelegt werden Bei Aus wahl eines bestimmten Kanals in der Auswahlbox Channel werden die entsprechen den Datenfelder dargestellt Die Werte Physical Minimum und Physical Maximum der Wertebereich eines Sig nals werden vom jeweiligen Input Port bernommen Sie k nnen durch einen Rechts Klick auf den Input Port ge ndert werden Durch Bet tigung von Create File kann der Speicherort und Dateiname f r die EDF Datei angegeben werden und die Datei wird erzeugt Dies
334. ularbiologie in der Entwicklung von Pharmazeuti ka sowie in bildgebenden Verfahren Stimulation von vitalem Gewebe durch elektrische oder magnetische Felder Die Elektrotherapie ist eine seit den Anf ngen der Medizin bekannte Methode bei der meist Muskel oder Nervenzellen durch kontrollierte Stromimpulse sti muliert werden Schrittmacher Defibrillatoren Reizstromtherapie und funktio nelle Elektrostimulation FES sind moderne Anwendungsgebiete dieser Technik Durch die Entwicklung implantierbarer Schrittmacher gelang binnen weniger Jahrzehnte eine Erh hung der Lebensqualit t f r sehr viele Men schen Impedanzmessung von Gewebeeigenschaften Hier werden wie bei der elektromagnetischen Stimulation externe Felder in biologisches Gewebe eingebracht und dessen Leitf higkeit durch geeignete Messmethoden gepr ft Die Impedanzmessung kann so wie die Messung des Magnetfeldes ber hrungsfrei durchgef hrt werden und gibt Aufschluss ber funktionelle Eigenschaften des Gewebes Anwendungen sind unter anderem die Impedanztomographie die Magnetresonanztomographie MRT oder die Messung des Hautleitwertes Electrodermal Response EDR Laut den Maxwell schen Materialgleichungen sind diese drei Bereiche durch das Prinzip der Reziprozit t verbunden welches besagt dass Gebiete mit hoher Sensiti vit t f r elektrische bzw magnetische Messung in gleichem Ma e elektromagnetisch erregbar sind MAL95 Die vorliegende Arbeit besch ftigt
335. um 256 Physical masimum 256 Frefiltering HF 0 16Hz LP 53Hz Digital minimum ooo Digital masimu 1024 E SENDER f ji Status Entering eeg mode UK Abb 7 46 Parameterdialog des TCP Sender Elementes Start Sending und Stop werden zur Kontrolle des Datenflusses zum Neuroserver ver wendet Die Schaltfl che Send to neuroserver erlaubt das direkte Absetzen eines Neuroserver Kommandos CILO3 Durch Bet tigung von Close wird die Verbindung zum Neuroserver geschlossen 160 5 3 11 Das Media Player Element Er T I 5 f a Multimedia File C videos11 avi Update Interval for Speed aj gt 200 Update Interval for W alume 4 gt l 20 Abb 7 47 Parameterdialog und Ausgabefenster des Media Player Elementes Dieses Element bietet einen Zugriff auf die Windows Medienschnittstelle Media Control Interface MCI Dadurch k nnen verschiedene Medienformate wie AVI WMV WAV MP3 wiedergegeben werden Nach der Auswahl einer Mediendatei durch Select MCI File wird die Wiedergabe durch den Erhalt eines g ltigen Wertes am Input Port Play gestartet Lautst rke und Abspielgeschwindigkeit k nnen durch die Ports Vol und Speed beeinflusst werden wobei ein Wert von 1000 volle Lautst r ke bzw normale Geschwindigkeit bedeutet Die Intervalle zur Aktualisierung dieser Parameter k nnen durch Schieberegler eingestellt werden Durch den Erhalt g ltiger Werte am Input Port Step erfolgt
336. ung f r die Neuentwicklung von BrainBay Elementen 6 5 1 Header Datei Base h Definition der Basisklasse BASE_CL siehe 6 4 und maximale Gr en der Datenfel der f r Elemente sowie Input und Output Ports 6 5 2 Header Datei Brainbay h Definition globaler Konstanten wie Nummern f r die Element Typen Element Namen Datei Typen Datei Modi Standardwerte f r die serielle Daten bertragung Typen der Firmware bertragungsprotokolle Hier werden auch die globalen Struktu ren deklariert GlobalStruct PacketStruct CaptfileStruct TTYStruct TimingStruct FliterStruct EDFheaderStruct EDFChannelStruct Eine genauere Beschreibung der Elemente dieser Strukturen findet sich im Quellcode der Headerdatei brainbay h 6 5 3 Modul Brainbay cpp Dieses Modul beinhaltet die Hauptfunktion WinMain Hier werden die verschiede nen Fensterklassen registriert und das Applikationsfenster sowie das Designfenster erzeugt Die Nachrichtenschleife und die Signalverarbeitung der Konfigurationsele mente werden initialisiert Wenn die Option GLOBAL startup auf TRUE gesetzt ist wird die zuletzt verwendete Design Konfiguration geladen Danach wird die Nach richtenschleife message queue abgearbeitet wie in 6 3 1 beschrieben Die Nach richtenbehandlungsroutine des Hauptfensters MainWndHandler verarbeitet Me n interaktionen wie das Einf gen neuer Konfigurationselemente oder das Laden ei ner gespeicherten Design Konfiguration 6 5 4 Modul Glo
337. ung von Stromst en der Fische bei Kopfschmerzen und Arthritis Weitere Beschreibungen von elektromagnetischen Quellen beschr nken sich bis ins 17 Jhdt auf Experimente mit Bernstein welcher durch Reibung an einem trockenen Stoff eine elektrostatische Aufladung erf hrt und magnetischem Eisenerz Magnetit benannt nach seinem Fundort im Norden Griechenlands Magnesia MAL95 Das Studium der Elektrizit t wurde ab ca 1600 systematisch betrieben MAL95 DAVO6 William Gilbert konstruierte um 1600 das erste Messger t zur Detektion der Anziehungskraft von aufgeladenem Bernstein eine leichte drehbare Metallnadel die sich zur Quelle dieser Kraft ausrichtet Er nannte die aufladbaren Substanzen electricks nach dem griechischen Wort f r Bernstein Elektron und das Ger t Elektroskop Abb 1 1 Abb 1 1 Elektroskop Otto v Guericke beschrieb 1665 die Erscheinungen der elektrischen Aufladung und Leitung anhand einer Schwefelkugel ohne jedoch die Ursachen zu kennen 1672 erfand v Guericke die Elektrisiermaschine welche durch Drehung und Reibung einer Schwefelkugel elektrische Ladungen trennte und Funken erzeugte Ewald v Kleist und Pieter van Musschenbroek erfanden um 1745 das Leydengef die Leydener Flasche Abb 1 2 den ersten Kondensator Mit der Leydener Flasche konnte elektrische Ladung gesammelt verst rkt aufbewahrt und transportiert werden Die Fla sche besteht aus einem oben offenen zylindrischen Nichtleiter
338. ungen des Gehirns der Nieren oder des Augenhintergrundes ein Die entwicklungsgeschichtlich sinnvolle Erh hung des Blutdrucks bei Kampf oder Flucht erweist sich in modernen Zusammenh ngen oft als kontraproduktiv und h ufige Erh hungen des Blutdrucks k nnen zu Gef ver nderungen f hren die einen hohen Blutdruck weiter beg nsti gen Der Blutdruck wird durch das Herzzeitvolumen das Produkt aus Herzfrequenz und Schlagvolumen und den totalen peripheren Widerstand bedingt durch die Elas tizit t der gro en Arterien und den Durchmesser der Arteriolen bestimmt Er wird normalerweise durch verschiedene Regulationssystems die Barorezeptoren in der Aorta das Renin Angiotensin Aldosteron System bedarfsgerecht angepasst Eine lang anhaltende Blutdruckerh hung kann unter bestimmten Umst nden jedoch zu einer Adaption dieser Regulationssysteme auf die erh hten Werte f hren MAROO Meist wird der Blutdruck durch das Manschettendruckverfahren nach Riva Rocci mit einer Druckmanschette gemessen Das Auftreten des Blutflusses bei einem be stimmten Manschettendruck wird dabei durch Ger usche in der Arterie festgestellt Der Blutdruck ist durch zwei Werte charakterisiert den systolischen Blutdruck h chster Druck zum Zeitpunkt des Zusammenziehens des Herzmuskels und den diastolischen Druck niedrigster Wert bei entspanntem Herzmuskel Von einer Hy pertonie spricht man bei wiederholter Messung ber 140 90 mmHg F r das Bio feedback des Bl
339. ungsstressoren Vortragen eines Liedes Hyperventila tion usw mit Entspannungsphasen kombiniert und die Messergebnisse gemeinsam mit den Betroffenen analysiert hnlich ist das Vorgehen bei der Behandlung von Angstst rungen Diese sind bei Frauen die h ufigste bei M nnern nach Suchterkrankungen die zweith ufigste psy chische Erkrankung Auch hier ist das Biofeedback vor allem als unterst tzende Me thode zur psychotherapeutischen Behandlung wirksam Die gr ten Gruppen der Angstst rungen sind die Panikst rung pl tzliche Angstattacken gepaart mit heftigen k rperlichen Reaktionen die Agoraphobie Platzangst die soziale und die spezifi sche Phobie Angst vor peinlichem Verhalten in Gesellschaft bzw vor bestimmten Objekten oder Situationen die posttraumatische Belastungsst rung Erinnerung an eine traumatisierende Situation sowie die generalisierte Angstst rung eine Vielzahl von Ausl sern KRO00 Biofeedback dient auch hier mithilfe einer Mehrkanalablei tung w hrend der Konfrontation mit angstausl senden Reizen Exposition in vivo und der anschlie enden Entspannungsphase der Identifikation der Reaktion in den verschiedenen K rpersystemen bzw der Kontrolle und Unterst tzung der Entspan nungsf higkeit Ist die Exposition nicht m glich durch individuelle Gr nde oder die Art des Reizes kann die systemische Desensibilisierung angewendet werden bei der zuerst eine tiefe Muskelentspannung trainiert wird und dann Reize
340. unter 6 Hz oder ber 14 Hz werden sehr stark ged mpft F r eine weitere Verwendung von Filtern siehe Kapitel 8 Anwendungsbeispiele Das Filter Element basiert auf Funktionen der freien FidLib Bibliothek von Jim Peters and Tony Fisher PETO3 7 6 2 9 Das FFT Element Lalc Interwal al E GRE 125 Gani A _ 137 wWindowng Hanning k Bins 12 Align Lett Range 3 to J20 Hz Style Spectogram view BinWalues W Gant f 50 Gani A 50 Gant A 50 Color Palette biues pal Caption Spectogram 0000000 Background Color Abb 7 26 Parameterdialog und Ausgabefenster des FFT Elementes 148 Das FFT Element f hrt eine Fast Fourier Transformation durch und zerlegt das an geschlossene Signal dadurch in seine Frequenzkomponenten Vergleichbar mit dem Ohr das uns verschiedene Tonh hen zum selben Zeitpunkt h ren l sst Durch die Verwendung des FFT Elements k nnen Ver nderungen der Frequenzkomponenten als Balkendiagramm Spektrogramm oder 3D Landschaft betrachtet werden Die Art der Visualisierung ist durch die Style Auswahlbox festzulegen Der Parameter Calc Interval legt die Periode der Berechnung in Samples fest Ein Intervall von 10 ergibt bei einer Samplerate von 200 Hz 20 Transformationen pro Se kunde Die Anzahl der Frequenzkomponenten Bins legt die Aufl sung im Zeit und im Frequenzbereich fest Viele Bins bedeuten eine gute Frequenzaufl sung aber ei ne schlechte Aufl sung im Zeitbereich
341. ur visuellen Darstel lung verwendet FFT Element Particle Generator Element ax current Position 79 Update Range fas E to u 127 u E bo ef ra ash DR gt Ki f gt green blue al gt al gt blue Abb 7 4 Der Farbpaletten Editor Um den Farbverlauf zu ndern wird ein Bereich durch linken und rechten Mausklick in das Farbfenster gew hlt Der Linksklick gibt den Beginn und der Rechtsklick das Ende der Region an Durch die Farbwahlfelder oder die Schieberegler f r RGB Werte werden die Farben f r die Start und Endpunkte definiert und ein Farbverlauf ber die gew hlte Region wird erzeugt Auf diese Weise k nnen Farbverl ufe ber Regionen beliebiger Gr e mit wenigen Klicks erzeugt werden Eine Palette besteht aus 127 einzelnen Farbwerten Bestehende Paletten k nnen durch mport Palette geladen und ver ndert werden Neue Paletten werden durch Export Palette gespei chert 7 4 Der Tonleitern Editor Der Tonleitern Editor wird durch die Men auswahl Tools gt Edit tone Scales ge ffnet und erlaubt die Zusammenstellung und Speicherung von Tonskalen f r das Midi Element Bei der Generierung von Midi Noten dienen diese Skalen als Filter wo durch konventionelle Tonleitern wie Moll Dur oder Blues sowie eigene Tonabfolgen oder einzelne T ne zur akustischen Meldung von Ereignissen erzeugt werden k n nen 134 Edit Tonescale l a EF Tonescale Name Major 30 95 Member edit Scale adjust T
342. urce 23 5 2006 http www mathworks com MUEO5 Reiner M nch The MonolithEEG Amplifier Design 2005 Online Ressource 17 10 2006 http www people freenet de moosec projekte simpleeeg MUPO5 G M ller Putz R Scherer Ch Neuper G Pfurtscheller EEG based control of functional electrical stimulation FES in tetraplegic patients Laboratory for Brain Computer Interfaces Graz University of Technology Online Ressource 11 10 2006 http www bci info tugraz at groups Graz BCl Graz BCV EEG based_control_of_functional_electrical_stimulation pdf 189 M LOO Friedemann M ller Ingo Keller Marguerite Ledches J rg Wissel Biofeedback bei L hmun gen und anderen neurologischen Erkrankungen in Winfried Rief Niels Birbaumer Biofeedbackthera pie Grundlagen Indikation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X NANO0 Alexandra Nanke Winfried Rief Biofeedback bei Somatisierungspatienten Die Br cke zwi schen organmedizinischem und psychosomatischem Krankheitsbild in Winfried Rief Niels Birbau mer Biofeedbacktherapie Grundlagen Indikation und praktisches Vorgehen Schattauer 2000 ISBN 3 7945 1968 X OPCO6 The Intel Open Computer Vision Library Online Ressource 4 10 2006 http www intel com technology computing opencv OPEO4 J rg Hansmann Andreas Robinson Jim Peters Yaniv Vilnay Moritz v Buttlar a o The Open EEG Project Online Ressource 4 7 2006 http openeeg sf net
343. urch Es stellte sich heraus dass die unmittelbare Transparenz des Feedback Mechanismus zur Erhaltung bzw zum Aufbau der Trainingsmotivation sehr wichtig ist Das Feedback sollte daf r so klar und einfach wie m glich gestaltet sein vor al lem wenn wenig feinmotorische Kontrollm glichkeit besteht Die R ckmeldung durch Balkendiagramme und Z hler f r Anzahl der erreichten Kontraktionen erwies ist in diesem Fall geeigneter als die Verwendung des Ballspieles wo durch Kontraktion von linkem und rechtem Muskel ein Schl ger gesteuert wird der den Ball im Spiel feld halten soll Diese Art des Feedbacks wurde von der Patientin als eher demotivie rend empfunden da sie meist nicht in der Lage war den Schl ger in geeigneter Wei se zu kontrollieren Das Biofeedback kann also nur dann sinnvoll zur Therapie bei tragen wenn die Feedbackmechanismen optimal auf den Stand der F higkeiten an 175 gepasst werden wozu sich die erstellte Software prinzipiell eignet Ein Problem ist die seltene Verf gbarkeit von Computern im Haushalt von pflegebed rftigen lteren Menschen So ist auch im Haushalt der Testperson kein Computer vorhanden und die Verwendung eines einfachen stand alone Ger tes f r das Muskelfeedback w re eine denkbare Alternative Im konkreten Fall berlegt die Patientin dennoch die An schaffung eines Laptop Rechners da sich dieser auch f r andere M glichkeiten des Trainings etwa Feedback am Hometrainer siehe 8 4 eignet G
344. urch einen bersicht lichen Benutzerdialog Gerade bei komplexen Konfigurationen verlieren Benut zer und Benutzerinnen des Systems leicht den berblick Die Verf gbarkeit eines individuell konfigurierbaren Dialogfensters f r die Einstellung der jeweils relevanten Parameter ist vor allem f r den Einsatz im HCI Bereich eine not wendige Verbesserung Das Skindialog Element stellt diese Funktionalit t schon in Ans tzen zur Verf gung jedoch bedarf es noch eines komfortabeln Editors f r das Dialogfenster e Die Verbesserung des Gesichts und Bewegungstrackings Das Camera Element bietet zum gegenw rtigen Zeitpunkt eine Gesichterken nung auf Basis einer Haar Classifier Cascade und ein Bewegungstracking von Merkmalen durch den Lucas Kanade Optical Flow Algorithmus In der Praxis zeigten sich wie erwartet Unzul nglichkeiten dieser Algorithmen f r eine zu verl ssige Cursorsteuerung Dies liegt vor allem am Drifting des Lucas Kanade Trackings wodurch die anvisierten Punkte Nase und Kinn mit der Zeit und vor allem durch Verdeckungen des Gesichts oder schnelle Bewegun gen horizontal und vertikal abgelenkt werden Obwohl durch Heuristiken und eine Plausibilit tspr fung die Situation verbessert werden konnte und das Sys tem prinzipiell einsetzbar ist siehe 9 3 gibt es immer noch Kombinationen von Bewegungen die ein Klicken f r mehrere Sekunden unm glich machen oder Mehrfachklicks ausl sen Diese Faktoren sprechen derzeit noch gegen
345. utdruckes ist das Riva Rocci Verfahren nicht geeignet da eine konti nuierliche R ckmeldung der aktuellen Werte n tig ist Dazu eignen sich Ger te mit automatischer Regelung des Manschettendrucks und Auswertung des Blutvolumens durch die fotoelektrische Messung Plethysmographie Diese Ger te sind zwar im Vergleich zum Riva Rocci Verfahren ungenau f r das intersubjektive Biofeedback aber dennoch geeignet Im mehreren Sitzungen werden der Erwerb und die Verbes serung der Entspannungsf higkeit die Identifikation und Beeinflussung von Blut druckspitzen und ein angemessener Umgang mit Arger trainiert Dabei wird das kon tinuierliche Biofeedback mit psychologischen Methoden wie Rollenspielen und der bung von Stressbew ltigungsstrategien kombiniert Biofeedback kann eine medi kament se Behandlung der Hypertonie und die Anderung des Lebenswandels durch salzarme Ern hrung mehr Bewegung oder eine Reduktion des Genussmittelkon sums nicht ersetzen aber in der Therapie unterst tzend wirken und zur Reduktion der Medikamente beitragen MAROO 2 3 4 Biofeedback bei Somatisierungspatienten und bei Angstst rungen Unter somatoformen St rungen versteht man k rperliche Beschwerden die durch organische oder pathophysiologische Faktoren nicht ausreichend erkl rt werden k nnen Die Beschwerden sind aber weder eingebildet noch vorget uscht Diagno sekriterien f r eine Somatisierungsst rung sind das Vorliegen von mindestens vier unterschiedlich
346. ver ffentlicht Dadurch bleiben Aufbau und Funktionalit t einsehbar das System kann von anderen Entwicklern und Entwicklerinnen erweitert und ohne Lizenzgeb h ren zu geringen Kosten reproduziert oder ver ndert werden Danksagung Die vorliegende Arbeit w re ohne die Unterst tzung vieler Menschen nicht m glich gewesen Allen voran m chte ich meinen Eltern Gerda und Johann Veigl f r ihr Ver trauen ihre Ausdauer und die finanzielle Hilfe danken Sie haben mir eine intensive Besch ftigung mit wissenschaftlichen und k nstlerischen Themen erm glicht die nur in seltenen F llen monet r eintr glich war Ich konnte mir dadurch einen guten Uber blick ber das universit re Angebot verschaffen und einen Bereich finden der mich fasziniert und in dem ich meine F higkeiten sinnvoll einsetzen kann Ebenso danke ich meiner Freundin Astrid Schartner die mit viel Geduld meine oft n chtelangen Programmier und Experimentiert tigkeiten toleriert hat obwohl der praktische Nutzen f r sie nicht immer ersichtlich war Ihre Zuneigung hat mich nicht selten vor einer Kapitulation bewahrt als diverse Hard oder Softwareprobleme aus weglos erschienen Ein besonderer Dank gilt J rg Hansmann dem Entwicklungsleiter des ModularEEG Projektes und Mitbegr nder der OpenEEG Gruppe der sein gro es Wissen im Be reich der Elektronik unentgeltlich zur Verf gung gestellt und somit mir und vielen An deren einen Weg zum Verst ndnis und zur Anfertigung
347. von Reset wird der Integrationswert auf null gesetzt Dies geschieht auch durch das Starten oder R cksetzen der Session durch die Bet tigung von Start oder Reset in der Statuszeile 149 7 6 2 11 Die Elemente And Or und Not Abb 7 29 Symbole der AND OR und NOT Elemente Die Elemente And Or und Not haben keine Benutzerdialoge Diese Elemente f hren logische Operationen mit den Inputsignalen durch und geben das Ergebnis am Out put Port aus And gibt TRUE_VALUE aus wenn keiner der Inputwerte INVALID_VALUE ist Or gibt TRUE_VALUE aus wenn h chstens ein Inputwert INVALID_VALUE ist Not gibt TRUE_VALUE aus der Inputwert INVALID_VALUE ist In allen anderen F llen wird INVALID_VALUE ausgegeben 7 6 2 12 Das Matlab Element HEN Input Buffer Size 4 i Matlab Functon Call Now Call Periodic Abb 7 30 Parameterdialog des Matlab Elementes Das Matlab Element kann zum Transfer von Signalinformationen zur Matlab Applikation und zum Empfang einer R ckmeldung verwendet werden Die Gr e des zu bertragenden Wertepuffers wird durch den Schieberegler des Benutzerdialoges eingestellt Der Datenaustausch w hrend der Laufzeit wird durch die Matlab Engine erm glicht Die hierf r n tigen dll Dateien sind Teil der Matlab Distribution Das Mat lab Element kann nur verwendet werden wenn sich eine lizenzierte Version von Matlab mit den entsprechenden dll und lib Dateien auf dem System befindet Das Elem
348. wird durch kabellosen Betrieb und ad hoc Netzwerkverbindungen wesentlich erleichtert Bluetooth Zig Bee Wireless USB der Einsatz des Computers als verbindendes oder zentrales Steuer a7 element bietet sich an Der folgende berblick zeigt exemplarisch einige herk mmli che Eingabehilfen und Beispiele zur Verwendung von Biosignalen als Eingabenhilfs mittel f r Menschen mit motorischer Behinderung 2 4 1 Hilfsmittel f r die direkte Eingabe Viele relativ einfache Eingabehilfsmittel f r k rperlich behinderte Menschen bew h ren sich aufgrund ihrer direkten Funktionsweise und unmittelbaren Wirksamkeit Dazu geh ren der Mundstab und der Kopfstab zur Bet tigung von Schaltern und zur Verwendung der CGomputertastatur Ist die Bewegung von Kopf und Nackenbe reich kaum eingeschr nkt ist der Umgang mit dem Mundstab erstaunlich gut erlern bar sodass ge bte Personen eine Schreibgeschwindigkeit von 80 Anschl gen pro Minute und mehr erreichen was die Kapazit t vieler anderer Eingabenhilfsmittel ber trifft Dennoch stellt eine dauernde Verwendung des Mundstabes eine erhebliche Belastung f r Kiefer Kinn und Nackenmuskulatur dar sodass Alternativen sicherlich f r viele Menschen interessant sind Gelingt eine zielgerichtete koordinierte Bewegung nur schwer sind Hilfsmittel wie Tastaturschablonen Gro feldtastaturen oder auch Kleintastaturen f r einge schr nkten Bewegungsradius einsetzbar ZAGO4 Kinnjoysticks k nnen zur Steue
349. y perreflexie h ufiger Harndrang durch neurologische St rungen unterschieden Durch Beckenbodentraining l sst sich die Urinkontinenz in vielen F llen verbessern Biofeedback kann dieses Training effektiv unterst tzen und je nach Problemstellung gezielt an den jeweiligen Problemzonen ansetzen CUNOO e durch Druckaufnehmer in der Blase l sst sich die Detrusoraktivit t trainieren e durch R ckmeldung der Kontraktionskraft der Beckenbodenmuskulatur kann die Anhebung der Kontraktionsst rke und dauer ge bt werden e durch simultane Abnahme der Bauchdeckenspannung und der Kontraktionskraft des Beckenbodens l sst sich das richtige Zusammenspiel trainieren Haupts chlich wird auf die schwieriger durchzuf hrende direkte Abnahme der Detru soraktivit t verzichtet und vor allem die Aktivit t der Beckenbodenmuskulatur ge messen Die geeigneten Sensoren sind fl ssigkeitsperfundierte Katheter oder Bal Ionkatheter zur Druckmessung Manometrie sowie Vaginal bzw Analsonden zur Messung des EMGs der Beckenbodenmuskulatur Die kontinuierliche R ckmeldung der Aktivit t erlaubt die sukzessive Anhebung der St rke und Dauer der Kontraktion sowie ein Training der Schlie kraft bei problematischen K rperhaltungen Ebenso kann ein besserer Umgang im Stresssituationen und eine Gew hnung an gr ere F llvolumina der Blase bei Urge Inkontinenz erreicht werden Der Einsatz mobiler Ger te erm glicht ein Training zuhause und verbessert meist den Th
350. zierter Medizintechnikger te BRA2 Braintronics Inc EEG Amplifiers User Manual Online Ressource 23 9 2006 http www braintronics nl Abb 3 10 Noraxon Myotrace200 Online Ressource 2 10 2006 http www noraxon com Abb 3 11 Mindpeak Waverider Online Ressource 2 10 2006 http www mindpeak com Abb 3 12 Brainmaster Atlantis Online Ressource 2 10 2006 http www brainmaster com Abb 3 13 Symptop EEG Amplifier Online Ressource 2 10 2006 http www symtop com Abb 3 14 Sagura Leonardo Online Ressource 2 10 2006 http www polysomnograph com Abb 3 15 g Tec USBamp Online Ressource 2 10 2006 http www gtec at 184 Abb 3 16 Neuroscan Synamp Online Ressource 2 10 2006 http www neuro com Abb 3 17 Digital Board und Analog Board des ModularEEG Verst rkers in GRIO3 Abb 3 18 Blockdiagramm der ModularEEG Verst rkerstufen und DRL Schaltung in GRIO3 Abb 3 19 Blockdiagramm der Digitalisierung und Daten bertragung zum PC in GRIO3 Abb 3 20 Der MonolithEEG Verst rker in MUEO5 Abb 3 21 Die SMD Platine des MonolithEEG links Unterseite rechts Oberseite in MUEO5 Abb 3 24 Aktive Elektroden zur Verwendung mit dem OpenEEG in ORTO05 Abb 3 25 Bluetooth Modul der Firm Promiserial Online Ressource 12 7 2006 http www promiserial de promiesdO2_e htm Abb 3 26 VDrive USB Flash Drive mit UART Schnittstelle Online Ressource 12 7 2006 http www vinculum com Abb 4 1 S
351. zur Verf gung und k nnen ohne Software nderung bernommen werden Das Modul k nnte beim ModularEEG statt dem MAX232 Schnittstellen konverter und beim MonolithEEG statt dem FTDI232 USB Chip eingesetzt werden Die Module bieten eine eingebaute Fehlerkorrektur und Reichweiten von bis zu 10m Class 2 bzw bis zu 100m Class1 LIS05 Abb 3 25 Bluetooth Modul mit SPP 3 3 5 6 Offline Datenaufzeichung Eine einfache M glichkeit zur Aufzeichung einer Messung ohne Computer oder PDA w re ein USB Memory Modul wie das VDRIVE von FTDI http www vinculum com Dieses Modul bietet einen UART Port mit dem der Mikrocontroller verbunden werden kann Gleichzeitig funktioniert das Modul wie ein USB Memory Stick und die Daten k nnen nach der Aufzeichung PC seitig ausgelesen werden Einige spezielle Kommandos dienen zum Erstellen einer Datei und zum Lesen und Schreiben von Daten Die n tige Erweiterung der Firmware f r die OpenEEG Verst rker w re berschaubar Erstellung der Datei bei Beginn und Schlie en der Datei bei Ende der Aufzeich nung Abb 3 26 VDrive Modul von FTDI 72 4 Softwaremethoden der Signalverarbeitung Die digitale Signalverarbeitung digital signal processing DSP wurde in den letzten Jahrzehnten zu einem Schl sselelement in der elektronischen Datenverarbeitung Ihre Wurzeln liegen in den 50er und 60er Jahren wo digitale Computer verf gbar wurden und neue Methoden der Signalverarbeitung vor allem i

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