1: Bio- und Neurosensoren

Question 1

Welche Aspekte umfasst unsere willentliche/bewusste Kommunikation des Menschen?

Answer 1

• Bewegung (Körperhaltung und Finger-, Hand-, Kopf-, Körpergesten)
• Sprache

Question 2

Welche Bedeutung haben Biosignale?

Answer 2

• Auskunft über emotionale Zustände, Belastungen, Stress
• In Spezialfällen zur Steuerung von Computern verwendbar

Question 2

Welche Aspekte umfasst unsere nicht willentliche/unbewusste Kommunikation des Menschen?

Answer 2

• Gesichtsausdruck (Mimik)
• Körperphysiologie/Biosignale (Körpertemperatur, Herzschlag, Atemfrequenz)
• Biometrische Eigenschaften (Fingerabdruck, Irisabdruck, Gesichtsform)

Question 3

Welche Voraussetzungen müssen für eine Nutzung von Biosignalen in Mensch-Maschinen Schnittstellen gegeben sein?

Answer 3

• Nicht invasiv und kontaktfrei
• Quasi-Echtzeitfähigkeit
• Bekannte Interpretation der Messungen

Question 4

Nennen Sie 4 Anwendungen von Biosignalen.

Answer 4

• Biofeedback-Forschung
• sog. Adaptive Interfaces
• Evaluierung von Schnittstellen (in Usability Tests)
• Brain Computer Interfaces (BCI), Muscle Interfaces (EMG) zur Steuerung

Question 5

Welche Messarten von Biosignalen gibt es?

Answer 5

• nicht-invasiv (kontaktlos) ⇒ kein Eindringen in den Körper
• invasiv ⇒ Eindringen in den Körper (z.B. Eingepflanzter Biosensor)

Question 6

Was kann nicht-invasiv gemessen werden?

Answer 6

• Atemmuster → Frequenz, Amplitude
• Puls → Frequenz, Amplitude, Variabilität, Elektrokardiografie (EKG)
• Blutdruck
• Sauerstoffgehalt des Blutes
• Hautleitfähigkeit (Widerstand)
• Hauttemperatur (via IR-Thermografie)
• Muskelpotentiale → Elektromyografie (EMG)
• Gehirnströme → Elektroenzephalografie (fMRI/EEG)

Question 7

Was sind die Herausforderungen bei der Nutzung von Biosignalen für die MTI?

Answer 7

• Kontrolle und Anpassung der Sensoren
  -Latenz der Sensoren
  -Synchronisation der Sensoren
• Usability
  -Invasiv vs. Nicht-Invasiv
  -Individuelle (personenbezogene) Kalibrierung vs. allgemeine nutzbare Systeme
• Kontext muss bekannt sein
  -Bedeutung der Signale ist nur interpretierbar wenn auch das Umfeld bekannt ist

Question 8

Was ist ein Pulse Oxymeter?

Answer 8

• Prinzip: Messung der Volumenänderung in Organen (z.B. Arterien)
  -Infrarot-LED beleuchtet die Haut
  -Phototransistor misst die Menge des reflektierten Lichtes → dieser Prozentsatz entspricht der Blutsauerstoffsättigung
• Ziel: Ermittlung der Herzfrequenz und Blutsauerstoffsättigung

Question 9

Was ist die Elektromyografie (EMG) und wie kann sie in der MMI angewendet werden?

Answer 9

• Messung der elektrischen Muskelaktivität (Kontraktion den Muskeln)
• Spannungsänderungen können mit Spezialnadeln bzw. Elektroden auf der Hautoberfläche gemessen werden.
• Anwendung für MMI
  -Haupteinsatz (med.): Feststellen ob eine Krankheit muskulär oder nervlich verankert ist
  -Analyse komplexer Muster und Verwendung
  -Gestenerkennung
  -Blickverfolgung durch Analyse der Muskelkontraktion der Pupillen

Question 10

Was sind Brain-Machine Interfaces (BMI) aka Brain-Computer Interfaces (BCI) und wie können sie in der MMI angewendet werden?

Answer 10

• Messung der elektrischen Gehirnaktivität (Elektrische Aktivität von Millionen von Nervenzellen erzeugt Spannungsänderungen)
• EEG-Gerät misst auf Kopfhaut Spannungsänderungen (Aktivität von Nervenzellen)
• Anspruchsvolle Messtechnik und Signalverarbeitung nötig:
  Alle Gehirnwellen werden unterschiedlich interpretiert, z.B. Alpha-Wellen = Entspannung
• Anwendung für MMI
  -Analyse komplexer Muster (Muster können für Interaktion verwendet werden)
  ⇒ Therapeutischer Einsatz: für Menschen ohne motorische Funktionen aber intaktem Gehirn (als Steuerung)

Question 11

Was sind Vor- und Nachteile von BCI?

Answer 11

Vorteile
- Therapeutischer Einsatz z.B. für “Locked-In” Patienten ohne andere Kommunikationsmöglichkeit
- Gehirnaktivität kann nicht-invasiv gemessen werden z.B. “Badekappe”
- Die schnelle Datenrate des Gehirn kann teilweise direkt verarbeitet werden

Nachteile
- Langwieriges Verfahren
- Hoher Aufwand in Messtechnik und Signalverarbeitung
- Das Auslesegerät muss oft individuell an den Nutzer angepasst werden
- Hoher Preis bei Consumergeräte

Question 12

Was ist OpenBCI?

Answer 12

• Ist ein Kickstarter Projekt kompatibel mit dem Arduino Board
• Gehirnschnittstellen unter Open-Source-Lizenz
• Ziel: Die Preisbarriere für Forschung senken ($99 im Vergleich zu Consumergeräten)