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Rehabilitation (Stuttg) 2003; 42(6): 371-377
DOI: 10.1055/s-2003-812543
Originalarbeit
© Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York

„EEG-basierende Kommunikation” - ein neues Konzept zur rehabilitativen Unterstützung von Patienten mit schwerer motorischer Beeinträchtigung

EEG-Based Communication - A New Concept for Rehabilitative Support in Patients with Severe Motor ImpairmentC.  Neuper1 , G.  R.  Müller2 , P.  Staiger-Sälzer3 , D.  Skliris2 , A.  Kübler4 , N.  Birbaumer4, 5 , G.  Pfurtscheller1, 2
  • 1Ludwig-Boltzmann Institut für Medizinische Informatik und Neuroinformatik, Technische Universität Graz
  • 2Abteilung für Medizinische Informatik, Institut für Elektro- und Biomedizinische Technik, Technische Universität Graz
  • 3Beratungsstelle für unterstützte Kommunikation und elektronische Hilfen (BUK), Rehabilitationszentrum Bethesda, kreuznacher diakonie, Bad Kreuznach
  • 4Institut für Medizinische Psychologie und Verhaltensneurobiologie, Universität Tübingen
  • 5Center for Cognitive Neuroscience, University of Trento, Italien
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Publication Date:
16 December 2003 (online)

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Zusammenfassung

Vorgestellt wird eine neue Kommunikationshilfe zur rehabilitativen Unterstützung von Personen mit schwerer motorischer Beeinträchtigung unterschiedlicher Genese am Beispiel eines völlig gelähmten Patienten mit infantiler Zerebralparese. Auf der Basis von EEG-Ableitungen während bestimmter mentaler Vorstellungen des Patienten kann ein sog. Brain-Computer-Interface (BCI) die elektrische Hirnaktivität unmittelbar in Steuerbefehle übersetzen. Im Verlauf des regelmäßigen Trainings über mehrere Monate, das erstmals über Telemonitoring realisiert wurde, konnte eine individuelle Strategie entwickelt werden, die es dem Patienten ermöglicht, Buchstaben auf einem Computerbildschirm mit ca. 70 %iger Präzision auszuwählen. Auf Basis des EEG-basierenden Kommunikationssystems ist er nun in der Lage, vorgegebene Wörter mit einer Rate von ca. einem Buchstaben pro Minute zu schreiben. Durch den Einsatz eines derartigen „Virtual Keyboards” können in Zukunft völlig gelähmte Patienten ihre intakte Gehirnaktivität nutzen und damit einen neuen Kommunikationsmodus aufbauen. Die praktische Umsetzung wird durch das vorgestellte Telemonitoring-Konzept wesentlich erleichtert, das eine qualifizierte wissenschaftliche Betreuung des Patiententrainings im klinischen bzw. häuslichen Umfeld unabhängig von geografischer Distanz ermöglicht.

Abstract

This paper describes a paralyzed patient diagnosed with severe infantile cerebral palsy, trained over a period of several months to use an EEG-based brain-computer interface (BCI) for verbal communication. The patient learned to “produce” two distinct EEG patterns by mental imagery and to use this skill for BCI-controlled spelling. The EEG feedback training was conducted at a clinic for Assisted Communications, supervised from a distant laboratory with the help of a telemonitoring system. As a function of training sessions significant learning progress was found, resulting in an average accuracy level of 70 % correct responses for letter selection. At present, “copy spelling” can be performed with a rate of approximately one letter per minute. The proposed communication device, the “Virtual Keyboard”, may improve actual levels of communication ability in completely paralyzed patients. “Telemonitoring-assisted” training facilitates clinical application in a larger number of patients.

Schlüsselwörter

Brain-Computer-Interface (BCI) - Elektroenzephalogramm (EEG) - infantile Zerebralparese - Kommunikationshilfe - Telemonitoring

Key words

Brain-Computer Interface (BCI) - electroencephalogram (EEG) - cerebral palsy - communication device - telemonitoring

Literatur

  • 1 Allen C MC. Conscious but paralyzed: releasing the locked-in.  The Lancet. 1993;  342 130-131
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 2 Anderson C W, Stolz E A, Shamsunder S. Multivariate autoregressive models for classification of spontaneous electroencephalogram during mental tasks.  IEEE Trans Biomed Eng. 1998;  45 (3) 277-286
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 3 Birbaumer N, Ghanayim N, Hinterberger T, Iversen I, Kotchoubey B, Kübler A, Perelmouter J, Taub E, Flor H. A spelling device for the paralysed.  Nature. 1999;  398 297-298
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 4 Ersland L, Rosen G, Lundervold A, Smievoll A I, Tillung T, Sundberg H, Hugdahl K. Phantom limb imaginary fingertapping causes primary motor cortex activation: an fMRI study.  Neuroreport. 1996;  8 (1) 207-210
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 5 Farwell L A, Donchin E. Talking off the top of your head: Toward a mental prosthesis utilizing event-related brain potentials.  Electroenceph Clin Neurophysiol. 1988;  70 512-523
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 6 Guger C, Ramoser H, Pfurtscheller G. Real-time EEG analysis with subject-specific spatial patterns for a brain-computer interface (BCI).  IEEE Trans Rehab Eng. 2000;  8 447-456
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 7 Guger C, Schlögl A, Neuper C, Walterspacher D, Strein T, Pfurtscheller G. Rapid prototyping of an EEG-based Brain-Computer-Interface (BCI).  IEEE Trans Neural Syst Rehab Eng. 2001;  9 (1) 49-58
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 8 Hallet M, Cohen L G, Pasqual-Leone A, Brasil-Neto C, Wassermann E M, Camarota A N. Plasticity of the human cortex. In: Thilmann AF, Burke DJ, Rymer WZ (Hrsg) Spasticity: Mechanisms and management. Berlin; Springer 1993: 439-450
    Search in Google Scholar
  • 9 Kalcher J, Flotzinger D, Neuper C, Gölly S, Pfurtscheller G. Graz Brain-Computer Interface II - Towards communication between man and computer based on on-line classification of three different EEG patterns.  Med Biol Engng Comp. 1996;  34 382-388
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 10 Kübler A, Kotchoubey B, Hinterberger T, Ghanayim N, Perelmouter J, Schauer M, Fritsch C, Taub E, Birbaumer N. The thought translation device: a neurophysiological approach to communication in total motor paralysis.  Exp Brain Res. 1999;  124 223-232
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 11 Kübler A, Neumann N, Kaiser J, Kotchoubey B, Hinterberger T, Birbaumer N P. Brain-computer communication: self-regulation of slow cortical potentials for verbal communication.  Arch Phys Med Rehabil. 2001;  82 1533-1539
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 12 Mao H, Muthupillai R, Kennedy P R, Popp C A, Song A W. Clinical application of fMRI: Motor cortex activation in a paralysed patient.  Medicamundi. 1998;  42 (3) 19-22
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 13 Müller G R, Neuper C, Pfurtscheller G. Implementation of a Telemonitoring system for the Control of an EEG-Based Brain Computer Interface.  IEEE Trans Neural Syst Rehab Eng. 2003;  11 (1) 54-59
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 14 Neuper C, Schloegl A, Pfurtscheller G. Enhancement of left-right sensorimotor EEG differences during feedback-regulated motor imagery.  J Clin Neurophysiol. 1999;  16 (4) 373-382
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 15 Neuper C, Pfurtscheller G. Motor imagery and ERD. In: Pfurtscheller G, Lopes da Silva FH (Hrsg) Event-Related Desynchronization. Handbook of Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. Revised Edition, Vol. 6. Amsterdam; Elsevier 1999: 303-325
    Search in Google Scholar
  • 16 Neuper C, Müller G, Kübler A, Birbaumer N, Pfurtscheller G. Clinical application of an EEG-based brain-computer interface: a case study in a patient with severe motor impairment.  J Clin Neurophysiol. 2003;  114 399-409
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 17 Obermaier B, Neuper C, Guger C, Pfurtscheller G. Information transfer rate in a 5-classes brain-computer interface.  IEEE Trans Neural Systems Rehab Eng. 2001;  9 (3) 283-288
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 18 Obermaier B, Müller G R, Pfurtscheller G. „Virtual Keyboard” controlled by spontaneous EEG activity. IEEE Trans Neural Systems Rehab Eng 2003: in Druck.
    Search in Google Scholar
  • 19 Pfurtscheller G, Neuper C. Motor imagery and direct brain-computer communication.  Proc IEEE Neural Eng. 2001;  89 (7) 1123-1134
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 20 Pfurtscheller G, Müller G, Korisek G. Mentale Handorthesensteuerung über das EEG: Eine Fallstudie.  Rehabilitation. 2002;  41 (1) 48-52
    Thieme ConnectPubMedSearch in Google Scholar
  • 21 Pfurtscheller G, Neuper C, Flotzinger D, Pregenzer M. EEG-based discrimination between imagination of right and left hand movement.  Electroenceph Clin Neurophysiol. 1997;  103 (5) 1-10
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 22 Pfurtscheller G, Guger C, Müller G, Krausz G, Neuper C. Brain oscillations control hand orthosis in a tetraplegic.  Neurosci Lett. 2000;  292 (3) 211-214
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 23 Roth M, Decety J, Raybaudi M, Massarelli R, Delon-Martin C, Segebarth C, Decorps M, Jeannerod M. Possible involvement of primary motor cortex in mentally simulated movement: a functional magnetic resonance imaging study.  Neuroreport. 1996;  7 1280-1284
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 24 Sanes J N, Donoghue J B. Plasticity and primary motor cortex.  Ann Rev Neurosci. 2000;  23 393-415
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 25 Vidal J. Toward direct brain-computer communication.  Ann Rev Biophysics Bioengng. 1973;  2 157-180
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 26 Wolpaw J R, McFarland D J, Neat G W, Forneris C A. An EEG-based brain-computer interface for cursor control.  Electroenceph Clin Neurophysiol. 1991;  78 (3) 252-259
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 27 Wolpaw J R, Flotzinger D, Pfurtscheller G, McFarland D J. Timing of EEG-based cursor control.  J Clin Neurophysiol. 1997;  14 (6) 529-538
    PubMedSearch in Google Scholar

Univ.-Prof. Dr. Gert Pfurtscheller

Institut für Elektro- und Biomedizinische Technik, Technische Universität Graz

Inffeldgasse 16a

A-8010 Graz

Email: pfurtscheller@tugraz.at