Computer als Gedankenleser
Eines der Spezialgebiete des Grazer Unternehmens G. Tec ist die Forschung im Bereich Brain-Computer-Interface (BCI), also an der Schnittstelle zur Steuerung von Computern über Gedanken. Das von G. Tec entwickelte System ist zwar noch nicht massentauglich, aber in Nischen schon sinnvoll einsetzbar.
"Begonnen hat die BCI-Forschung vor etwa 20 Jahren. Bis vor zehn Jahren haben sich nur ein paar wenige Freaks damit beschäftigt", erläutert Gunther Krausz, bei G. Tec für Forschung und Entwicklung sowie Marketing zuständig. Erst in den vergangen Jahren sei die BCI-Forschung weltweit sehr in Mode gekommen, weil Computer leistungsfähiger und preiswerter wurden.
Das BCI-System von G. Tec basiert auf der Spelling-Methode. Das System soll ab Ende des Jahres in Deutschland in Rahmen von Tests praktische Anwendung finden, etwa bei Patienten, die aufgrund einer neurologischen Erkrankung in den "Locked-in State" kommen. Das bedeutet, sie sind mental fit, leiden aber unter dem Verlust der Willkürmotorik.
Mit diesem Problem kämpfen etwa Patienten, die unter Amyotropher Lateralsklerose (ALS) leiden. Diese Menschen können denken und auch alles verstehen, was in ihrer Umgebung vor sich geht, aber im Endstadium sind sie zumeist vollständig gelähmt, so dass sie auch nicht mehr sprechen können. In den 90er Jahren konnte erstmals ein ALS-Patient mittels BCI einfache Nachrichten schreiben.
In der Beginnphase will G. Tec das Gerät vorerst an die Patienten vermieten. Ab 2010 soll es das Gerät auch zu kaufen geben, der Preis soll bei etwa 5.000 Euro liegen.
Seit rund fünf Jahren arbeitet G. Tec an einem Kommunikationssystem für schwerstbehinderte Menschen. Mit dem BCI können diese über Gedanken und Computer mit der Außenwelt kommunizieren, ohne dabei einen Laut von sich zu geben oder einen Muskel zu bewegen. Das System soll ab Ende des Jahres in Deutschland in Rahmen von Tests erstmals auch in Spitälern eingesetzt werden (siehe Kasten).
Wie BCI funktioniert
Wie BCI funktioniert, erklärt Krausz folgendermaßen: Im Allgemeinen werden durch eine bestimmte mentalen Aufgabe, die der User ausführt - die Konzentration auf einen Buchstaben oder die Vorstellung einer Handbewegung - gewisse Parameter seiner Hirnaktivität beeinflusst. Diese willentlich durch gedankliche Aktivitäten verursachten Änderungen in den Gehirnsignalen werden mittels EEG gemessen und von einem BCI-System in ein Kontrollsignal umgewandelt, mit dem in weiterer Folge über Computer etwas gesteuert werden kann.
In Forscherkreisen verstehe man unter BCI nur das Messen von Gehirnaktivitäten. Eine Methode sei das Spelling, auf dem auch das System von G. Tec basiert. Das von der Spieleindustrie angewandte Messen der Augenaktivitäten und Muskelbewegungen falle dagegen nicht darunter, so Krausz.
Mit den Gedanken am Computer schreiben
Gunther Krausz ist bei G. Tec für Forschung und Entwicklung sowie Marketing zuständig. Hauptsächlich beschäftigt sich G. Tec mit der Entwicklung von Geräten zur Aufnahme, Verarbeitung und Analyse von Biosignalen für die Forschung.
Bei der Spelling-Methode sieht der User auf dem Computermonitor eine Tastatur, deren einzelne Buchstaben zufällig aufleuchten. Blinkt jener Buchstabe auf, auf den sich der User gerade konzentriert, reagiert sein Gehirn auf den Blinkreiz und löst eine höhere Reaktion als normal aus, die wiederum vom EEG registriert wird. Somit weiß das System, welcher Buchstabe getippt werden soll.
Um sicherzugehen, dass der User tatsächlich genau diesen Buchstaben schreiben wollte, sind mehrere Durchläufe notwendig. Das heißt, der Reiz muss sich wiederholen. Ist die Person sehr gut trainiert, braucht es etwa drei bis fünf Durchläufe, um mit einer relativ hohen Genauigkeit schreiben zu können.
Langsames Schreiben
Beim Single Spelling blinken etwa acht bis zehn Buchstaben pro Sekunde auf. Das bedeutet, pro Minute können etwa fünf bis 15 Buchstaben getippt werden. Etwas schneller gehe der Durchlauf im Row-Column-Flasher-Mode, in dem ganze Zeilen und Spalten aufleuchten. Schließlich sei es jedoch eine Frage der Vorlieben des Users, welches System bevorzugt werde, so Krausz.
Das BCI-System von G. Tec besteht aus einer Haube mit acht fix integrierten Elektroden, einem Verstärker sowie einem Notebook. "Mit der Haube sind die Elektroden schnell montiert und gleich an der richtigen Position des Gehirns", erklärt Krausz. Nach dem Aufsetzen werde diese fixiert und danach ein spezielles Gel eingespritzt, um einen möglichst niedrigen Widerstand für die Elektroden zu gewährleisten.
Die Elektrodenkabel hängen an einem batteriebetriebenen Verstärker, der die empfangenen Biosignale via Bluetooth an das Notebook weiterleitet. Auf dem Notebook ist eine Software installiert, die auf allen Windows-Plattformen läuft. Hardware-seitig bedarf es keiner weiteren besonderen Ausstattung.
Für das BCI kommt ein reduziertes Bildschirm-Keyboard zum Einsatz. Neben Buchstaben, Zahlen und den wichtigsten Satzzeichen gibt es eine Leer- und eine Eingabetaste, jeweils eine Korrekturtaste zum Löschen einzelner Buchstaben oder des gesamten Textes sowie die Möglichkeit, den Text in einem Dokument abzuspeichern oder in eine E-Mail zu kopieren.
"Einen Text aufzurufen oder ihn zu archivieren funktioniert nicht, das wäre zu kompliziert", so Krausz. Dafür gibt es einen Alarmknopf, um das Pflegepersonal zu rufen, und eine Sprachausgabe, um den geschriebenen Text auf Wunsch vom Computer vorlesen zu lassen.
BCI in Spielen
Auch die Spieleindustrie hat bereits Interesse an BCI angemeldet. Jedoch gilt es noch, einige Hürden zu überwinden: Eine Elektrodenhaube sei für die User unattraktiv, und kaum jemand wolle sich Gel in die Haare spritzen, erklärt Krausz. Zudem müsse das Equipment nach jedem Gebrauch sorgfältig gewaschen werden.
Das US-Unternehmen Emotiv hat das Problem mit Trockenelektroden gelöst, die in Form einer "Spinne" auf dem Kopf aufgesetzt werden. "Ohne Gel gibt es kein starkes Signal, und zudem fällt die Technik streng genommen nicht in den Bereich BCI", erklärt Krausz. Das System sei nicht dazu in der Lage, die Hirnaktivitäten zu messen.
Es sei jedoch sehr einfach, die Elektroden in der Nähe der Augen- und Gesichtsmuskeln zu positionieren. Damit würden Signale, die bei Augen- und Gesichtsbewegungen entstünden, gemessen, womit etwa ein Balken auf dem PC auf und ab gesteuert werden könne. "Es ist lustig und hat seine Berechtigung, aber es ist nicht wirklich BCI", so Krausz.
Problem: Nicht schreiben
Das System erkenne, wenn der User sich auf "nichts" konzentriere, also nicht die Absicht habe, etwas zu schreiben. Das Problem habe man so gelöst, dass sich das System dabei auf eine Statistik beruft, ob ein Buchstabe deutlich mehr Antworten zeigt als alle anderen. Ist das nicht der Fall, konzentriert sich die Person offensichtlich auf keinen Buchstaben.
Dem Traum, allein mit den Gedanken einen Computer steuern zu können, sind derzeit jedoch noch Grenzen gesetzt. Im Allgemeinen ist die Handhabung von BCI-Systemen für Normalverbraucher noch mit zu vielen Hürden verbunden. Kernproblem sei unter anderem die Usability. Ziel sei es, eine einfache Methode zur automatischen Überprüfung der Signalqualität zu finden, so Krausz.
In Zukunft Implantate
Auch die Geschwindigkeit und die Genauigkeit seien immer wieder ein Problem. Je schneller das System, desto fehleranfälliger werde es. Ein Lösungsansatz wäre, die Elektroden in das Gehirn zu implantieren und mittels Elektrokortikografie (ECOG) die Gehirnaktivitäten zu messen. "Das ist besonders interessant, weil mit dieser Technik eine viel höhere Geschwindigkeit und Genauigkeit möglich ist, da direkt an der Quelle gemessen wird", so Krausz.
"Irgendwann werden solche Implantate entwickelt und Schwerstbehinderten angeboten werden." In einer relativ kleinen Operation könne ein Gerät eingesetzt und somit alltäglich werden, ähnlich einem Herzschrittmacher, so die Vision des Wissenschaftlers. Dass gesunde Menschen im Alltag alles mit BCI steuern werden, sieht der Wissenschaftler als unrealistisch an: "Die Frage ist, was es bringt." Denn selbst die Sprachsteuerung sei immer noch viel schneller und genauer.
(futurezone/Claudia Glechner)