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Wie können Locked-In-Patienten mit Hilfe eines Brain-Computer Interfaces kommunizieren?

05.07.2018

Personen, welche unter dem sogenannten "Complete Locked-In Syndrom" leiden, haben jegliche Bewegungsfähigkeit verloren. Sie können nicht sprechen, ihre Hände bewegen, blinzeln oder ihre Augen bewegen. Aber ihr Gehirn funktioniert. Aus diesen Gründen kann es sehr schwierig sein, mit diesen Patienten zu kommunizieren. Viele Gruppen haben Brain-Computer Interface (BCI) Systeme entwickelt, welche eine Kommunikationsplattform für diese Patienten bieten können.

Das BCI System kann die Gehirnaktivität des Benutzers in Kommunikationsignale übersetzen, wie zum Beispiel in die Antworten JA oder NEIN. Ein Nachteil vieler dieser Systeme ist, dass sie nicht für Patienten funktionieren, die ihre Sehfähigkeit verloren haben. Wir stellen hier neue Ergebnisse von einem System, welches kleine Vibratoren nutzt, vor. Das mindBEAGLE System kann Vibrationen am linken und rechten Handgelenk ausführen. Der Patient kann entweder JA oder NEIN antworten in dem er still die Vibrationen auf der linken oder der rechten Hand zählt. Das System verwendet die Hände, da diese Positionen einfacher für die Patienten zu unterscheiden ist. Wir haben dieses System mit 12 Locked-In Patienten ausprobiert und dabei eine erfolgreiche Kommunikation mit 9 erreicht. Wir waren auch dazu in der Lage mit zwei Complete Locked-In Patienten zu kommunizieren. Diese erfolgreiche Kommunkiation war vielversprechend und hatte eine große Auswirkung auf das Leben der Patienten.

Wie kann ein BCI Gehirnwellen für die Kommunikation benutzen?

Für viele Jahre hatten Wissenschaftler BCIs basierend auf Bewegungsvorstellungen genutzt, um eine Kommunikation mit Locked-In Patienten zu ermöglichen. Zum Beispiel wurden diesen Patienten aufgetragen, sich eine Bewegung der linken oder rechten Hand vorzustellen. Die Vorstellung der Bewegung der linken Hand aktiviert die rechte Seite des Gehirns. Die Vorstellung der Bewegung der rechten Hand aktiviert die linke Seite des Gehirns. Das BCI System kann diese Gehirnaktivität des Patienten nutzen um einen Cursor auf die linke oder rechte Seite eines Bildschirmes zu bewegen.

Eine andere Art des BCI benutzt einen bestimmten Typen von Gehirnwellen, den sogenannten P300. Der P300 ist ein Typ von Gehirnwelle, welcher sich vergrößert wenn eine Person sich auf ein plötzlich eintretendes Event konzentriert. Dieses Event kann ein aufblinkendes Symbol am Bildschirm sein. In diesem Beispiel werden alle Buchstaben des Alphabets und alle Nummern am Bildschirm präsentiert. Einige dieser Symbole blinken auf. Die Aufgabe des Patienten ist es nun sich auf die Symbole zu konzentrieren, welche sie der Umwelt mitteilen will. Wenn dieses Symbol dabei aufblinkt, wird ein P300 im Gehirn produziert. Das bedeutet das die Gehirnwelle einen kleinen Ausschlag kurz nach dem Flash zeigt, welche dem BCI erlaubt zu "wissen" welches Symbol der Patient versucht zu sagen.

Warum benötigen wir eine neue Art von BCI für Locked-In Patienten?

Es gibt Probleme bei den zwei Arten von BCIs, welche oben beschrieben wurden. Das BCI basierend auf Bewegungsvorstellungen ist nicht zuverlässlich und es ist sehr viel Training nötig um die Bedienung zu erlernen. Locked-In Patienten haben möglicherweise Probleme, sich auf die Aufgabe zu konzentrieren und sind sehr schnell erschöpft. Dies gestaltet ein Training sehr schwierig oder unmöglich. P300 BCIs benötigen kein Training, aber die meisten P300 BCIs benutzen visuelle Stimuli, wie z.B. Buchstaben auf dem Bildschirm. Weil Complete Locked-In Patienten oft nicht sehen können, benötigen sie ein BCI welches kein Sehvermögen voraussetzt. Deshalb haben Wissenschaftler nach BCIs gesucht welche kein intensives Training benötigen und für Patienten funktionieren, die nicht mehr sehen können. Viele Complete Locked-In Patienten können noch immer Vibrationen an ihren Handgelenken spüren sowie andere taktile Reize. Unsere und andere Gruppen haben bewiesen, das P300 BCIs basierend auf das Fühlen von taktilen Reizen hergestellt werden können.

Vibration-basierendes BCI System

Um ein BCI zu entwickeln, welches praktikabel für Complete Locked-In Patienten ist, haben wir beschlossen, kleine vibrierende Stimulatoren zu nutzen. In diesem Fall werden die Stimulatoren auf dem rechten, linken Handgelenk und am Fuß des Patienten befestigt. Danach wird jeder Stimulator für eine sehr kurze Zeit eingeschaltet. Der wichtige Punkt ist nun, dass wir den Patienten fragen, die Anzahl der Vibrationen an einer bestimmten Stelle zu zählen, wie zum Beispiel an der linken Hand. Wenn der Patient die Vibrationen auf dem linken Handgelenk zählt, wird ein P300 produziert, ähnlich dem P300 bei den blinkenden Symbolen. Weil der Patient die Vibrationen am rechten Handgelenk und am Fuß ignoriert, werden viel kleinere P300 Spitzen erzeugt. Dies erlaubt dem BCI System zu identifizieren, dass nur die Vibrationen auf der linken Hand gezählt wurden.

Patienten können diesen Ansatz nutzen um Fragen zu beantworten, selbst wenn sie nicht sehen können. Wenn eine Mutter eines Patienten fragt "Bist du in Italien?", kann der Patient sich dafür entscheiden die Vibrationen auf der rechten Hand zu zählen um mit JA zu antworten. Wenn der Patient nicht in Italien ist, dann wird das Zählen der Vibrationen an der linken Hand ein NEIN erzeugen. Der Patient zählt niemals die Vibrationen am Fuß, da diese Stimuli nur dazu dienen, um die Vibrationen an den Handgelenken zu verstärken. Das BCI System muß die Stimulationen des linken und rechten Handgelenkes wiederholen um eine akkurate Entscheidung zu treffen, was der Patient mitteilen möchte. Das ist notwendig da Gehirnsignale grundsätzliche sehr schwach sind und Rauschen beinhalten.

Aufgaben eines BCI

All diese Aufgaben werden von einem System namens mindBEAGLE erledigt. Der Beagle ist eine Hunderasse welche berühmt für ihren Geruchssinn und legendär im Aufsuchen von verschwundenen Personen ist, ähnlich dem was wir hier versuchen. Natürlich versuchen wir Personen nicht über den Geruchssinn zu finden, sondern wir versuchen zu beweisen das sie die Fähigkeit der Kommunikation besitzen indem wir ihnen eine Kommunikationsplattform ermöglichen. Die HMS Beagle war ebenfalls ein berühmtes Schiff in der Geschichte der Wissenschaft. Charles Darwin studierte eine Vielzahl an Spezien während er auf der HMS Beagle reiste. Dies ermöglichte ihn viele Theorien über die Evolution zu entwickeln.

Das BCI System muss eine Reihe von komplizierten Aufgaben erledigen um Gehirnwellen korrekt zu interpretieren. Der erste Schritt ist die Verstärkung der Signale, da die abgetasteten Signale vom Gehirn sehr schwach sind. Danach werden die Signale zu einem Computer geschickt welcher eine Reihenfolge von Berechnungen durchführt. Auf diesem Weg lernt das BCI System die Form der Gehirnwellen für die Vibrationen am linken, rechten Handgelenk und am Bein. Diese Informationen werden verwendet, um das System für jeden Patienten zu trainieren. Diese Trainingsprozedur dauert ungefähr 2,5 Minuten. Das BCI System stellt einen Genauigkeitswert zur Verfügung welcher dem Wissenschaftler zeigt wie gut das System die jeweilige Seite des Patienten, welche er gerade zählt, identifizieren kann.

Ergebnisse

Wenn der Genauigkeitswert des BCI Systems bei 100% liegt, bedeutet es dass das System perfekt funktioniert. Dies sagt dem Wissenschaftler, dass das Gehirn des Patienten vollständig in der Lage ist, die Aufgabe zu bewerkstelligen und der Patient die nötigen Gehirnfunktionen besitzt um die Vibrationen zu zählen und einen P300 zu generieren. Wenn der Genauigkeitswert bei 0% liegt, könnte es bedeuten das der Patient schläft oder das der Patient permanent die Fähigkeit verloren hat um ein BCI zu bedienen. Deshalb muss die Prozedur auch einige Male wiederholt werden. Wenn jemand keine gute Performance hatte, könnte es einfach daran liegen das der Test zu einem ungünstigen Zeitpunkt durchgeführt wurde. Mit Complete Locked-In Patienten können selbst Ärzte Schwierigkeiten haben festzustellen, ob der Patient zu dem jeweiligen Zeitpunkt wach ist.

Wenn der Genauigkeitswert über 60% liegt, kann das BCI System benutzt werden um Patienten zu helfen, Fragen zu beantworten. In diesem Fall werden dem Patienten 10 verschiedene Fragen gestellt auf die wir die Antwort wissen. Die Fragen sollen auch sehr einfach sein und mit ja oder nein beantwortet werden können wie z.B.: "Wurdest du in Italien geboren?" oder "Ist dein Name Rossella?". Danach zählen wir wieviele Antworten korrekt gegeben wurden. Dies zeigt uns an, ob das System richtig funktioniert und ob der Patient es bedienen kann. Danach können wir zu Ja/Nein Fragen wechseln, wo wir die Antwort nicht wissen. Zum Beispiel "Ist dir kalt?" oder "Willst du eine andere BCI Sitzung morgen um 10:00 Uhr ausprobieren?".

Vor kurzer Zeit hatten wir einen sehr spannenden Fall! Eine Mutter benutzte das BCI System, nachdem sie 10 Jahre lang im Complete Locked-In Zustand war. Plötzlich hatte sie 9 von 10 Fragen richtig beantwortet. Dies zeigte uns das sie noch immer ihre Umgebung wahrnehmen konnte. Ihre Familie war sehr aufgeregt zu wissen, dass sie ihre Umwelt wahrnehmen kann. Weiters wird dies der Familie ermöglichen, in Zukunft weitere Fragen zu stellen.

Ein anderer Patient konnte 7 von 10 Fragen richtig beantworten. Das System hatte einen Fehler gemacht und zwei Mal war das System unschlüssig, was der Patient mitteilen wollte. Für einen anderen Complete Locked-In Patienten konnte das System überhaupt keine Kommunikation etablieren. In diesem Fall muss die Messung zu einem anderen Zeitpunkt wiederholt werden um zu sehen, ob die Ergebnisse voneinander abweichen.

Wir haben insgesamt 12 Locked-In und Complete Locked-In Patienten gemessen. 9 von 12 Patienten konnten die Fragen richtig beantworten. 3 Patienten konnten nicht kommunizieren, weswegen die Messungen wiederholt werden.

Zukünftige Arbeiten

In der Zukunft werden wir das BCI System kleiner und benutzerfreundlicher gestalten. Wir werden auch an neuen Wegen arbeiten um mit Patienten besser zu interagieren, mehr über ihre Gehirnaktivität zu lernen und um eine bessere Kommunikation zu ermöglichen. Zum Beispiel werden wir über eine einfache Ja/Nein Kommunikation hinausgehen in dem wir mehr Stimulatoren an anderen Körperstellen befestigen. Dies soll den Patienten helfen, "Multiple-Choice" ähnliche Antworten zu geben oder sogar zu buchstabieren. Am Ende planen wir auch Technologien zur Verfügung zu stellen welche in Privathaushalten genutzt werden können. Es sollte Familienmitgliedern erlauben, mit Patienten zu kommunizieren wenn sie es wünschen und dabei nicht auf die Hilfe von Experten angewiesen sein.

Weitere Informationen finden sich (auf englisch) unter: https://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2018.00024

kids.frontiersin.org

Originalpuplikation: Christoph Guger , Rossella Spataro, Brendan Allison, Alex Heilinger, Rupert Ortner, Woosang Cho and Vincenzo La Bella. 2017, Complete Locked-in and Locked-in patients: Command following assessment and communication with vibro-tactile P300 and motor imagery braincomputer interface tools. Front. Neurosci. 11:251. Doi:10.3389/fnins.2017.00251 http://go.apa.at/b9K33D61

Rückfragehinweis:

Christoph Guger

g.tec medical engineering GmbH

Sierningstraße 14

4521 Schiedlberg

Österreich

E-Mail: guger@gtec.at

Telefon: +43 7251 222 40

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