WO2007096269A1 - Device and method for the real-time control of an effector - Google Patents

Device and method for the real-time control of an effector Download PDF

Info

Publication number
WO2007096269A1
WO2007096269A1 PCT/EP2007/051360 EP2007051360W WO2007096269A1 WO 2007096269 A1 WO2007096269 A1 WO 2007096269A1 EP 2007051360 W EP2007051360 W EP 2007051360W WO 2007096269 A1 WO2007096269 A1 WO 2007096269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
training
signals
signal
effector
input signals
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/051360
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jörn RICKERT
Carsten Mehring
Tonio Ball
Ad Aertsen
Andreas Schulze-Bonhage
Original Assignee
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Albert-Ludwigs-Universität Freiburg filed Critical Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Priority to EP07704536A priority Critical patent/EP1988965A1/en
Priority to JP2008555746A priority patent/JP2009531077A/en
Publication of WO2007096269A1 publication Critical patent/WO2007096269A1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68Operating or control means
    • A61F2/70Operating or control means electrical
    • A61F2/72Bioelectric control, e.g. myoelectric
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36003Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of motor muscles, e.g. for walking assistance
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36014External stimulators, e.g. with patch electrodes
    • A61N1/36025External stimulators, e.g. with patch electrodes for treating a mental or cerebral condition

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for real-time control of an effector.
  • a particularly serious case is the so-called locked-in patients who have been deprived of any voluntary movement due to complete paralysis of skeletal muscle (such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) or muscle soreness) or a stroke in the brainstem area.
  • skeletal muscle such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) or muscle soreness
  • ALS amyotrophic lateral sclerosis
  • muscle soreness a stroke in the brainstem area.
  • ALS amyotrophic lateral sclerosis
  • Paralysis or disability prevents these patients from performing intended movements. Movements here and in the following should be understood to mean not only a movement in the sense of running, but any movement of muscles such as an arm movement, but also facial expressions or speech. Therefore, an attempt is made to restore or improve the ability to move by deliberately controlling a prosthesis by means of its own brain signals.
  • the core of such a neuroprosthesis is a so-called Brain Machine Interface (BMI). Their function is to translate the neural activity of the
  • a conventional BMI system is based on electrodes that are placed upside down and record an electroencephalogram (EEG). Then the patient is taught to intensify or mitigate certain aspects of recorded brain activity by volitional effort.
  • EEG electroencephalogram
  • SPCs are slow voltage changes over the entire cortex at intervals of one-half to ten seconds. Negative SCPs are typically associated with movement or other causes of cortical activation, while positive SCPs are associated with decreased cortical activity. A patient can learn to consciously raise and lower the SCPs in a training that typically spans several weeks and months. This information, which can also be discriminated from the outside via the EEG, can then be used for a simple cursor control after completion of the training phase The disadvantages are a long and strenuous training with subsequently only a very low transmission bandwidth: in the duration of an SPC in the In the order of several seconds, just one bit can be transmitted, and this type of communication is tiring and tedious for the patient.
  • P300 Rare or particularly significant stimuli interspersed with common stimuli, which may be auditory, visual, or somatosensory, induce an activity peak (typically in the EEG above the parietal cortex) with a time delay of about 300 ms versus the stimulus. If you show the patient a selection of letters, for example, and let them flash one after the other, the P300 is strongest for the desired letter. The process can be speeded up a bit by showing letters in rows and columns, with the letter resulting from the strongest column and the strongest row. Disadvantage of this method is that you can only select from predetermined possibilities, and that a whole series of presentations with high attention to the selection of only one letter is used.
  • C) Mu and Beta Rhythm The 8-12 Hz Mu and 13-30 Hz beta activity is found more frequently over the somatosensory and motor cortex. Movement or exercise preparation is usually associated with a reduction of mu and beta rhythms, while after a movement or relaxation usually a rhythm enhancement occurs. Once again, after several weeks of training, subjects were shown to be able to control the strength of these rhythms, most recently independently for Mu and Beta, allowing two-dimensional cursor control. This is an improvement over the SPCs achieved, but this is only gradual and does not eliminate the disadvantages. In addition, movements can affect the mu rhythms and thus reduce the accuracy of the control. All these methods have in common that a voluntary achievement of the corresponding brain activities in training as application requires a high concentration and is very tiring for the patient.
  • the patient often has in addition to his paralysis with serious other health problems to fight. From a healing in the sense of a casual dealing with other things using a prosthesis, which replaces the lost mobility without effort, so there can be no question.
  • the detection of brain activity requires a relatively large amount of time and can only transmit little information (typically between 1-20 bits per minute). This creates a BMI with a very low information transmission bandwidth. Complex and even simple movements can not be controlled in this way. Everyday activities like writing a simple letter cost hours, if not days of extreme concentration.
  • the inventive solution is initially based on the knowledge that conventional BMI systems use any or arbitrarily trained signal that has nothing to do with the original biological signal for the function to be performed. As a result, training often takes a long time and control of complex natural movements is prevented or prevented is at least very difficult. Therefore, the invention is based on the principle of exploiting the patient's natural patterns of activity, as he has already learned before losing his own ability to move.
  • "natural neural information processing processes” are to be understood as meaning those which directly represent the central nervous processing of movement-relevant information, as is also the case in healthy people, and which therefore do not require any training.
  • Delimitations are "artificial neuronal processes” that need to be learned specifically for the control of the effector, or that may correspond to a natural brain activity, but this activity was originally unrelated to the movement to be learned before training.
  • An advantage of the invention is to enable the translation of the natural signals of a movement into a corresponding movement of the prosthesis by means of a direct, easily trainable access to the desired control possibilities in their entire natural complexity and diversity. Training is directly related to the control of movement in the usual way, and is therefore motivating, purposeful, not quickly tiring and generally easier, as the activity patterns learned from childhood can be used. In the application, the patient is therefore not remembered with every information to be transmitted to the artificial and laboriously learned.
  • the data processing system has a receiving unit for the input signals and a drive unit for supplying the drive signals to the effector.
  • the data processing system can then communicate with the components for information input and output via these additional units.
  • the Ableitelektrode for the determination of the electromagnetic input signals from neuronal population activity is formed, in particular an LFP (local field potential) -, ECoG (electrocorticography) - or EEG (electroencephalography) electrode.
  • LFP local field potential
  • ECoG electrospray imaging
  • EEG electroencephalography
  • the Ableitelektrode is non-invasive, the Ableitelektrode is placed in operation outside on the head surface, under the skin, under the skull on the brain tissue or inserted within a sulcus without injuring brain tissue.
  • invasive procedures can reach single neurons (SUA) or neuronal groups (LFP). This, however, is paid for by an injury, the consequences of which are often unforeseeable. Because of this and because of the risks of infection and surgery, the use of invasive electrodes is limited.
  • the discharge electrode determines during operation movement-related input signals from brain areas responsible for movements, in particular information processes during the presentation, planning, execution or control of a movement in the motor cortex.
  • other input signals can usefully control an effector, such as visual signals.
  • motion-related input signals particularly those of the motor-controlled brain, provide the most suitable input for motion control.
  • one pass of a standard movement forms one
  • Training step and during each training step, the input signals are recorded as training data.
  • a standard movement (presented, presented or executed) can thus form the basis of a movement database for which the neural activity is stored. This can be used not only to directly improve the determination of the predictive model, but also much later for recalibration, such as when new, ie at the time of training still unknown, prediction developed or existing methods are further developed.
  • a training step is a demonstration, introduction, and / or execution of the standard movement. These three steps, as explained in more detail below, allow an accurate and targeted training. It also exploits the plasticity of the brain, because not only the evaluation unit improves its prediction accuracy, but also the patient improves his idea of the intended movement by means of feedback from the executed movement of his prosthesis. As a result, intentional and actual movement rapidly converge on both sides.
  • the condition of the patient is categorized and stored during each training step, and this condition influences the weighting of the respective training data in the determination of the predictive model, in particular health, attention or fatigue.
  • the inventors were able to show that the relevant activity is dependent on such state parameters. Therefore, if taken into account by the predictive model, it may become more accurate and correctly classify systemic deviations depending on the condition of the patient.
  • external circumstances are categorized and stored during each training step, and this condition affects the weighting of the training respective training data in the determination of the predictive model, in particular the position of the patient - lying, sitting, standing, the lighting conditions or the environment.
  • These external circumstances also affect the relevant activity, so that the predictive model becomes more accurate if it takes it into account.
  • a portion of the training data remains disregarded or erased in response to a non-corrective signal, and this non-corrective signal is, in particular, a predetermined standard movement. If the patient sees that his intention has been misapplied, he must have a chance to correct the appropriate training data. Particularly easy he succeeds in this, if it is possible on a - certainly learned - standard movement, because he is then not dependent on a distracting and thus disturbing other input method during training, which are in extreme cases because of his paralysis not available like.
  • the predictive model uses the standard motions as interpolation points in the composition of new motions. It will rarely be possible to train all possible movements. By means of an interpolation, the entire range of possible movements can be exploited with as few standard movements as possible to be trained.
  • the standard motion is converted into a representation of a frequency and phase modulation of the time-frequency resolved bands of the input signals.
  • the effector is a prosthesis, a patient's own body part or a data processing system.
  • the drive signals have a destination, which are converted by the effector into an action or movement including intermediate destinations not contained in the drive signals. The patient then does not have to drive all intermediate stations during an intended movement, which would also make the correct prediction difficult. Simple physical laws often determine the more accurate motion, and these details can be determined by the evaluation unit or electronics in the effector, independent of the prediction.
  • an amplifier between the Ableitelektrode and the receiving unit is provided, which filters the input signals and / or amplified.
  • the neural signals which derive the electrodes often require treatment before they can be started with their evaluation. This in turn increases the prediction accuracy.
  • FIG. 1 is a schematic overview of the invention
  • Figure 2 is a plan view of the carrier surface with a plurality of individual electrodes of a preferred embodiment of the discharge electrode.
  • FIG. 3 is a schematic representation of the signal transmission interface for an embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows neuronal activity signals for a movement in three different states of the subject;
  • FIG. 4 shows neuronal activity signals for a movement in three different states of the subject;
  • Fig. 5 decoding probabilities for three different variants to take into account the state of the subject in the prediction model
  • FIG. 6 shows an exemplary schematic representation for the conversion of neuronal signals / data into control signals for an effector with the aid of a predictive model
  • FIG. 7 shows an illustration of an arm prosthesis as an example of an effector, which can be actuated by an embodiment of the invention
  • a lead-out electrode 1 for deriving the neuronal activity of the cerebral cortex (cerebral cortex) 2 of a human brain is inserted under the skull of a patient or, in alternative embodiments, placed under the scalp or on the head surface.
  • the lead-out electrode 1 measures the neuronal activity and forwards it via an Si 1 Sg 1 nal tenal tenal tenal tenal tenal tenal tenase 3 as electromagnetic input signals to an amplifier 4, which is preferably designed as a multi-channel amplifier.
  • the amplifier amplifies and filters the electromagnetic input signals of the lead-out electrode 1 with high temporal resolution and forwards the thus preprocessed signals in real time to an evaluation chip, a computer or the like system 5 Signal processing continues. There, the signals are classified in real time using a predictive model and generated corresponding control signals.
  • the action intention from the activity signals is determined here for certain, trained arbitrary movements of the patient, which the patient can no longer perform himself.
  • an effector 6 is activated.
  • This can be a classic prosthesis, ie a mechanical replica of a body part, but also its own body parts. It is also conceivable a virtual command such as the to a computer cursor or a menu selection.
  • the effector 6 may return effector condition signals to the system 5 to allow feedback of the effector control.
  • the discharge electrode 1 is formed in the practical application as a multi-electrode.
  • the electrical voltage is recorded.
  • Invasive procedures include single unit activity (SUA), where the lead-in electrode 1 is brought into or even enters the vicinity of a single neuron, as well as the local field potential (LFP) determination, where the lead-off electrostatic field - de 1 measures the electric potential field from its environment that is determined by the neighboring neurons.
  • SAA single unit activity
  • LFP local field potential
  • the invasive methods allow to reach deeper layers of the brain and to obtain more accurate measurement data (spatially resolved). However, this is achieved by partially destroying the brain tissue with often unpredictable consequences for the patient.
  • the lead-out electrode 1 is a thin foil electrode, as shown in FIG. 2, which is implanted subdurally or epidurally over one or more selected areas of the cerebrum 2. It is alternatively conceivable to accommodate the discharge electrode 1 outside the skull. When used over multiple areas, a corresponding plurality of diverting electrodes 1 designed as described herein are used.
  • the lead-out electrode 1 is inserted in a groove (sulcus) of the brain. This also allows areas of the brain to be reached that are not on the outer surface without injuring brain tissue. This arrangement is explained in detail in the introductory said sister application.
  • the deflection electrode 1 has a carrier Ia made of flexible or elastic material.
  • a material offer themselves polyimide or silicone because of their compatibility or biocompatibility, easy processability and insensitivity. Equally, however, any other material is suitable which has the required flexibility and biocompatibility, ie which does not affect the brain tissue even with long-term use.
  • the material should not be conductive. It should allow in a simple way to give the wearer its individual shape, so for example easy to cut to size.
  • the wearer must be elastic and thin enough, usually with a thickness. In order not to injure tissue, the wearer has rounded edges.
  • the carrier Ia On the carrier are a number of electrodes Ic, which are each connected individually to a cable Ib, can be passed through the signals to the outside.
  • the carrier Ia is shown in a rough approximation rectangular. In the application, it will often be advantageous to adapt it to the area to be derived.
  • the electrodes Ic are arranged in matrix form as contact points.
  • Conductor tracks Ie inside the carrier Ib connect each electrode Ic individually and without overlapping their respective interconnects Ie with the cable Ib for the signal exchange.
  • the production possibilities of such printed conductors Ie and possibilities of their arrangement are known to the person skilled in the art.
  • Electrodes can be made of different materials, in particular gold, platinum, a metallic alloy or also of conductive plastics and semiconductor materials.
  • the support 1a may take on a size of less than one to more than ten centimeters.
  • the electrode contacts are designed with a typical density of 1 to about 1000 electrode contacts per cm 2 .
  • a higher density of electrode contacts improves the signal resolution, but of course increases the expense not only of the production of the electrodes Ic, but also of the gain and the computational complexity of the drive. Note also the increased energy requirements for wireless transmission of many channels of a large number of electrodes. The energy supply can definitely become the limiting factor.
  • the arrangement may vary as needed from the illustrated here with staggered rows.
  • this carrier does not injure the brain tissue, in contrast to penetrating electrodes.
  • the carrier Ia with the electrodes Ic can also be very small ("gru"). In this case, the operation with which the carrier Ia is used for the patient, with little effort and very little impairment of the patient is possible.
  • This operation requires specific pre-surgical diagnostics and surgical planning.
  • One of the most important aspects is to determine the exact target area for implantation, which can not be determined a priori due to the strong inter-individual neuroanatomical variability of the human brain. Only in exceptional cases would it be desirable to insert it at a location that was not previously determined individually. Although one knows general mappings of the brain and therefore knows, where certain functional areas are roughly to be found. In the more specific example of the motor and somatosensory cortex, even the anatomy of humans is replicated locally and individual body parts are assigned to spatially distinct areas of the cortex. For the individual patient, however, this prior knowledge is mostly not accurate enough.
  • fMRI functional magnetic resonance imaging
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of the signal interface 3.
  • data transmission by cable can take place, as has hitherto been used by default in neurosurgical diagnostics.
  • a permanent cable connection through the body surface however, carries an increased risk of infection and is also less attractive from a cosmetic and practical point of view.
  • the signal transmission between the electrode and the amplifier takes place by inductive energy transmission without a transcutaneous cable connection.
  • the wireless signal transmission system 3 is divided into two parts each above and below the skin surface 3a. From the outer transmitter / receiver unit outside the body, that is to say here above the skin surface 3a, only a coil 3b is shown as representative. In one embodiment, this external transceiver unit can only transmit data to the amplifier 4 or the computer system 5 wirelessly or by direct cable connection. Also conceivable is an alternative embodiment in which amplifier 4 and / or computer system 5 is partially or completely contained in a chip which is accommodated on the skull surface or another suitable location on the body. Which embodiment is preferred in each case or is feasible at all depends on the complexity of the application. At present, at least one compact transmitting / receiving unit to an external amplifier 4 or a computer system 5 over almost arbitrary distances (mobile radio, Bluetooth, WLAN) is technically possible without further ado.
  • One of the mentioned transmission paths can also be used for the data exchange with the effector 6.
  • a further two-part signal transmission interface similar to that described here can be used in the respective body part. Since the external transceiver unit is easily accessible, it can also be adapted or replaced according to the advancing technology, without the need for a renewed surgical intervention.
  • a multi-functional chip 3c is used as the inner transmitting / receiving unit as a counterpart to the outer transceiver unit.
  • This multi-functional chip 3c has a receiver unit 3c 1, a transmitter unit 3c2 and optionally a battery unit 3c3. Via the cable Ib, the signals from the electrodes Ic of the carrier Ia of the transmitter unit 3c2 and the receiving unit 3c 1 are supplied.
  • the coil 3b of the outer transceiver transmits power and any control signals for the Ableitelektrode 1 inductively via radio frequency signals to the receiving unit 3c 1.
  • control signals can be on and off commands or about a query on the power state of the battery 3c3.
  • the interface is basically also suitable for the transmission of stimulation signals to the deflection electrode 1.
  • the multifunction chip 3c determines the modulated control or the said stimulation signals in a manner known from telecommunications engineering.
  • the energy for the required arithmetic operations of control units in the multi-functional chip 3c are obtained from the high-frequency signals.
  • battery 3c3 or an accumulator can be inductively charged via the high-frequency signals, so that the energy supply is decoupled in time from the transmission at the interface.
  • it is necessary to distinguish between charging and stimulation signals for example by time windows or by separate frequency bands.
  • signals from the measuring electrodes Ic are transmitted via the cable Ib to the transmitter unit 3c2 and there, preferably in the 402-405 MHz signal band of the MICS (Medical Implantable Service Band), on the coil 3b or one for the Reception designed counterpart of only representatively shown coil 3b transmitted.
  • MICS Medical Implantable Service Band
  • the transmission interface has been described so that the transmission power of the transmitting unit 3c2 extends only to the coil 3b of the external transmitting / receiving unit.
  • the transmitting unit 3c2 could also send directly to the amplifier 4, which may not even be seated on the skull surface.
  • the power supply of the multi-functional chip 3c either by long-lasting batteries (currently technically unsatisfactory) or a Aufla- possibility to ensure approximately in the manner described by induction or by exploitation of the body's own energy sources.
  • the input signals of the deflection electrode 1 are now accessible to the amplifier 4 outside the skull.
  • the amplifier 4 operates on the input signals in a known manner.
  • high-pass, low-pass or band-pass filters may be used (for example Savitzky-Golay, Buttersworth or Chebychev filters).
  • a high temporal resolution for real-time transmission is advantageous, ideally the sampling rate is more than 200 Hz, but lower values are not excluded.
  • the thus preprocessed input signals are then forwarded to the system 5 for evaluation.
  • the function of the system 5 is to calculate control signals for the effector 6 from the input signals.
  • two phases can be distinguished, namely a training and an application phase.
  • the application can be interrupted again and again by training to improve or to learn further controls.
  • the training is used to determine a predictive model, with the help of which the system 5 then detects during the application, the movement intention of the patient and calculates corresponding control signals.
  • the aim of the training is to enter into the system 5 the required data for the classification of standard movements in order to determine the predictive model.
  • a standard movement is selected for the individual training step, which the patient then gets presented in one of three scenarios, introduces himself or attempts to control the effector 6. It has been proven that this produces similar input signals as a natural, self-made controller.
  • the patient does not have to produce a state of neuronal activity dictated by the evaluation procedure, which under natural conditions does not serve to control the function to be controlled, as conventionally described in the introduction, under tiring, highly concentrated concentration. Instead, he naturally resorts to his patterns of activity, which he had long since learned throughout his life. Subjectively, the patient does nothing else during training or during the application, as if he wanted to address the healthy muscles just as before the illness.
  • the system 5 stores the incoming brain signals and can thus later allocate brain signals to specific movements.
  • a standard exercise to be trained is determined by the patient, either by selection from a computer menu or by communication with a helper.
  • Examples of standard movements with the aforementioned arm prosthetic hand can to be: open hand - close hand, move arm in different directions and lead back, or close the hand with different strength.
  • the subject is repeatedly shown the chosen standard natural motion.
  • the derived brain signals in a time interval from about one second before until the completion of the standard motion yields a record for the first training data set of the matrix.
  • Repeated recording of the selected and the remaining standard movements to be learned results in the further data sets which together form the complete first training data set.
  • a computer program repeatedly dictates to the subject sequentially the standard movements, and the brain signals derived therefrom yield the second training data set.
  • a computer program tells the subject to try the standard moves. The derived during this time brain signals result in the third training data set.
  • the training is now optimized by providing feedback on the accuracy of the predictive model used to correctly correlate the brain signals derived during each experiment to the displayed standard motion. So the test person notices directly how well he has already learned a movement, and his brain has the ability to adapt to the effector 6. In other words, not only the system 5 improves through the training, but also the patient due to the neuronal plasticity. It is important that this does not happen due to strenuous activity patterns to be generated artificially. The subjective feeling of the patient is much more in line with the natural process of learning a new motor skill, such as swimming or cycling. Because of the efficiency of feedback learning, the third training set's data will be weighted progressively more heavily than the other two training sets.
  • the last part of the training is the repetition of the third part, but under different subjective conditions (eg prepared and unprepared, awake and sleepy) and objective conditions (eg lighting conditions, posture like sitting, standing, lying).
  • subjective conditions eg prepared and unprepared, awake and sleepy
  • objective conditions eg lighting conditions, posture like sitting, standing, lying.
  • the result is an enhanced third training set that further improves training performance and prediction accuracy, ensuring a more robust association of brain signals under different circumstances.
  • the subjective conditions are also called states, the objective conditions as circumstances.
  • Fig. 4 shows the measured activity of a particular neuron over time for one and the same movement in three different states 1, 2, 3 of the experimental animal.
  • the neural activities or signal patterns differ considerably, in particular also during the execution of the movement.
  • the measured signal patterns are therefore classified and stored with respect to the trained motions and states, e.g. in a database.
  • the measured neural activities of the patient are compared with the stored signal patterns to determine the movement that the patient is intending to perform with the effector.
  • the conditions - external and internal - are recorded.
  • FIG. 5 shows how advantageous it is to train the system 5 under many different conditions and to have available signal patterns with reference to the conditions and the movements presented. There are, for two living beings, "subject 1" and “subject 2", the probabilities of correct decoding of intended movements depending on the number of neurons used (signal pattern) for different trained predictive models specified.
  • Black bars indicate the decoding probability if the application takes place under known, ie trained conditions; Mid-gray bars apply in the event that the states are not known, and all three trained states are combined, as it were, "into a large trained condition", while light gray bars denote the case of conditions other than training.
  • the neuronal activity in the brain is determined under the condition or condition X measured. If training data (ie training signal patterns) are present in the system for the condition X or the state X, they are used for determining the movement prediction or the movement activation signals for the effector 6. If, on the other hand, there are no training data for condition X in the system, existing training data of similar conditions are used to determine the movement prediction. If condition X is unknown, for example because it is not captured, all training data that exists in the system will be used to determine the motion prediction.
  • training data ie training signal patterns
  • the patient can independently start a new training program for new standard movements or for ones already learned under a new circumstance.
  • the patient can train a 'correct / incorrect signal' that will enable a workout restart. This gives the patient control to tell the system 5 that the prediction accuracy does not meet the requirements and that a re-training is required. Of course, this restart could also be commanded independently of standard movements, for example via a computer menu.
  • the effector 6 is the patient's only communication capability, he should have this robust capability through the specially-trained "non-correct" default motion to communicate to the system 5.
  • Alternative non-correct signals are original / natural brain error signals that may occur, for example if an assignment is wrong.
  • FIG. 6 shows an exemplary schematic representation of the conversion of input signals into effector control signals with the aid of the training data.
  • Three voltage curves of three electrodes Ic are shown by way of example on the left side. These voltage signals are first amplified and filtered as input signals in the amplifier 4.
  • the filter functionality can also be localized in system 5. be siert.
  • As an exemplary filter method - others are mentioned above in connection with the amplifier 4 - the voltage signals are filtered in a bandpass, then averaged over small time windows and divided into short time windows.
  • the activity is then evaluated by means of mathematical methods.
  • the predictive model is therefore determined on the one hand by selection of the mathematical method, on the other hand by calibration by means of the training data.
  • the prediction of the intended movement by the system 5 is enabled ("intention prediction").
  • Typical mathematical methods are: (1) preprocessing of the signals, for example a) filtering (eg low-pass or bandpass), b) time-frequency analysis (e.g., Fourier transform or multi-tapering) and / or c) binning and averaging in the time domain; (2) decoding of the preprocessed signals, for example discriminant analysis (linear, quadratic or regularized) or support vector machine (linear or radial basis function).
  • discriminant analysis linear, quadratic or regularized
  • support vector machine linear or radial basis function
  • the predictive model is not limited to recognizing the limited number of standard movements. Further movements can be detected by interpolation and extrapolation of the trained and recorded neuronal correlates during standard movements.
  • the effector 6 translates the effector control signals provided by the system 5 into movements. It should be repeated again that movements in understand a comprehensive sense, so may include a voice control or the mimic.
  • the three above-mentioned groups come into consideration: a mechanical device such as a robot, robotic arm or prosthesis, a separate body part or an electrical device controlled by a virtual command of a computer, such as a computer, a mobile device, a household appliance or like.
  • an effector input line 6a 1 Via an effector input line 6a 1, the effector control signals are transmitted from the system 5 to the effector 6.
  • the prosthesis has a rotation system 6b 1 for rotating the hand. Control of a motor of the rotation system 6b 1 rotates the prosthesis in accordance with the effector control signals.
  • the prosthesis has a gripping system 6b2 with motor and control that performs the effector control signals corresponding opening and closing movements of a finger part of the hand. It should be noted that it is not expedient to attempt to determine all control details from the neural data. Instead, system 5 could also only predict the type of movement intended and then autonomously determine the required individual steps.
  • a feedback pressure sensors 6c are attached to the finger part. Their detected effector state signals are returned to the system 5 via an effector output line 6a2. These data could be returned to the brain as stimulation data in an extension of the invention. ben.
  • the system 5 should also be able to query the actual state of the prosthesis, since the internal representation in the system 5 does not necessarily coincide with this. This is not necessarily due to inaccuracies of the system 5, but could also be caused by an external disturbance, such. As a bumping of the prosthesis, caused. By means of the queried actual state, the system then knows again the starting position for a correct motion specification.
  • a hand prosthesis is not limited to the opening and closing, but with technically advanced prostheses within the scope of the invention, the implementation of more complex movements is possible.
  • own body parts are activated via functional electrostimulation as effector 6, if only the neuronal connection between the brain and the body part is interrupted. Either intact nerve cells of the body part or directly the muscle fibers are stimulated. Any feedback may also be provided either via still intact endogenous pressure, strain, etc. Receptors or by means of supporting sensors, as described above for the case of the prosthesis control. Likewise, even in the case of incomplete paralysis, where there is still a (weak) residual mobility, it is conceivable to support these residual movements by motor-driven mechanical devices.
  • the third group of "virtual" effectors 6 is particularly large.
  • a computer cursor or a menu selection, but also the switching on of the light, the sending of an emergency call, etc. are controlled.
  • a virtual prosthesis In this case, a body part is displayed three-dimensionally on a screen and controlled by neuronal activity of the patient or subject. This considerably facilitates the adaptation and selection of a suitable prosthesis.
  • FIG. 8 summarizes the method according to the invention for the movement control of an effector 6 associated with a living being.
  • the method comprises the following steps: a step 810 of receiving input signals representative of neural activities of the brain of the animal; A step 850 of obtaining motion drive signals for the effector 6 based on the input signals, wherein signal patterns are detected from the input signals, step 820, and from the signal patterns, the motion drive signals are calculated based on a predictive model, in steps 830 and 840; in which, according to a predetermined predictive model, a comparison process of the detected signal patterns is performed with stored training signal patterns representative of neural generated by the brain of the animal
  • Comparison process are the most similar to the detected signal patterns, step 840.
  • FIG. 9 illustrates the method of the invention for constructing a database of data from a predictive model for use in motion control of an effector 6 associated with an animal.
  • the method comprises the following steps:

Abstract

The invention relates to a device for the real-time control of an effector, which device comprises a bleeder electrode for determining input signals from the neuronal activity of the brain of a patient and a data processing system having an evaluation unit for calculating control signals for the effector based on the input signals. The evaluation unit is adapted to the training for determining a prediction model and the calculation of the control signals from the input signals taking into consideration the prediction model. The neuronal activity is produced by natural neuronal information processing processes of the brain.

Description

12. Februar 2007 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg U50875PC GS February 12, 2007 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg U50875PC GS
Vorrichtung und Verfahren zur Echtzeit-Ansteuerung eines EffektorsDevice and method for real-time control of an effector
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Echtzeit- Ansteuerung eines Effektors.The invention relates to a device and a method for real-time control of an effector.
Die Medizintechnik konnte in der Vergangenheit Patienten mit schweren Lähmungen nur sehr unzureichend helfen. Die in jüngster Zeit entstehende motorische Neuroprothetik zielt auf Patienten mit Lähmungen, bei denen eine organische Heilung nicht mehr möglich ist, obwohl der Kortex oder zumindest der Motorkortex als derjenige Bereich, der für die Kontrolle willkürlicher Bewegungen wesentlich ist, wenigstens noch teilweise intakt ist, die Nervenverbindungen zur Muskulatur aber unterbrochen sind - oder die Muskulatur/Gliedmaßen nicht mehr vorhanden sind. Die wichtigste und insgesamt sehr häufige Ursache für solche Lähmungen sind ischämische Hirninfarkte bzw. intrazerebrale Blutungen („Schlaganfall").Medical technology has in the past been of very limited help to patients with severe paralysis. Recent motor neuro-prosthetics are aimed at patients with paralysis where organic healing is no longer possible, although the cortex, or at least the motor cortex, is at least partially intact as the area essential for the control of voluntary movements Nerve connections to the musculature are interrupted - or the musculature / limbs are no longer present. The most important and very common cause of such paralyzes is ischemic brain infarction or intracerebral hemorrhage ("stroke").
Ein besonders schwerwiegender Fall sind die so genannten locked-in-Patienten, denen durch eine vollständige Lähmung der Skelettmuskulatur (beispielsweise durch amyotrophe Lateralsklerose (ALS )/Muskelsch wund) oder einen Schlaganfall im Bereich des Hirnstamms jegliche willkürliche Bewegungsmöglichkeit genommen ist. Solche Patienten sind bei vollem Bewusstsein ihrer Lage zur reinen Passivität verurteilt. Genauso kann man aber auch an Patienten denken, die eine Extremität verloren haben oder die querschnitts gelähmt sind. Die Lähmung oder Behinderung hindert diese Patienten, intendierte Bewegungen auszuführen. Unter Bewegungen soll dabei hier und im folgenden nicht nur eine Bewegung im Sinne von Laufen verstanden sein, sondern jegliche Muskelbewegung wie eine Armbewegung, aber auch Mimik oder Sprache. Daher wird versucht, die Bewegungsfähigkeit durch willentliche Ansteuerung einer Prothese mittels eigener Hirnsignale wiederherzustellen oder zu verbessern. Der Kern einer solchen Neuroprothese ist eine so genannte Hirn-Maschine- Schnittstelle (Brain Machine Interface, BMI). Deren Funktion ist, die neuronale Aktivität des Patienten in Befehle an die Prothese zu übersetzen.A particularly serious case is the so-called locked-in patients who have been deprived of any voluntary movement due to complete paralysis of skeletal muscle (such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) or muscle soreness) or a stroke in the brainstem area. Such patients, with full awareness of their situation, are condemned to pure passivity. Similarly, one can also think of patients who have lost a limb or are paralyzed. Paralysis or disability prevents these patients from performing intended movements. Movements here and in the following should be understood to mean not only a movement in the sense of running, but any movement of muscles such as an arm movement, but also facial expressions or speech. Therefore, an attempt is made to restore or improve the ability to move by deliberately controlling a prosthesis by means of its own brain signals. The core of such a neuroprosthesis is a so-called Brain Machine Interface (BMI). Their function is to translate the neural activity of the patient into commands to the prosthesis.
Ein herkömmliches BMI-System basiert auf Elektroden, die auf den Kopf aufgesetzt werden und ein Elektroenzephalogramm (EEG) aufzeichnen. Dann wird dem Patienten beigebracht, durch willentliche Anstrengung bestimmte Aspekte der aufgezeichneten Hirnaktivität zu verstärken oder abzuschwächen.A conventional BMI system is based on electrodes that are placed upside down and record an electroencephalogram (EEG). Then the patient is taught to intensify or mitigate certain aspects of recorded brain activity by volitional effort.
Hier sind drei unterschiedliche Systeme bekannt, die jeweils bestimmte neuronale Aktivitäten ausnutzen:Here are three different systems known, each of which exploit certain neural activities:
A) Slow Cortical Potentials (SCPs)A) Slow Cortical Potentials (SCPs)
SPCs sind langsame Spannungsänderungen über dem gesamten Kortex in Zeitintervallen von einer halben bis zehn Sekunden. Negative SCPs werden dabei typischerweise mit Bewegungen oder anderen Ursachen kortikaler Aktivierung, posi- tive SCPs dagegen mit verringerter kortikaler Aktivität assoziiert. Ein Patient kann in einem Training, das sich typischerweise über mehrere Wochen und Monate erstreckt, ein bewusstes Auf- und Absteuern der SCPs lernen. Diese auch von außen über das EEG diskriminierbare Information „auf oder „ab" kann dann nach Abschluss der Trainingsphase für eine einfache Cursorkontrolle verwendet werden. Die Nachteile sind ein langes und anstrengendes Training bei anschließend nur sehr geringer Übertragungsbandbreite: in der Dauer eines SPC in der Größenordnung mehrerer Sekunden lässt sich gerade ein Bit übertragen. Zudem ist diese Art der Kommunikation für den Patienten anstrengend und ermüdend.SPCs are slow voltage changes over the entire cortex at intervals of one-half to ten seconds. Negative SCPs are typically associated with movement or other causes of cortical activation, while positive SCPs are associated with decreased cortical activity. A patient can learn to consciously raise and lower the SCPs in a training that typically spans several weeks and months. This information, which can also be discriminated from the outside via the EEG, can then be used for a simple cursor control after completion of the training phase The disadvantages are a long and strenuous training with subsequently only a very low transmission bandwidth: in the duration of an SPC in the In the order of several seconds, just one bit can be transmitted, and this type of communication is tiring and tedious for the patient.
B) P300 Mit gewöhnlichen Stimuli durchsetzte seltene oder besonders bedeutende Reize, die auditorisch, visuell oder somatosensorisch sein können, rufen (typischerweise im EEG über dem parietalen Kortex)einen Aktivitätspeak mit einer Zeitverzögerung von etwa 300ms gegenüber dem Stimulus hervor. Zeigt man dem Patienten eine Auswahl beispielsweise von Buchstaben und lässt diese einzeln nacheinander aufblinken, so ist die P300 am stärksten bei dem gewünschten Buchstaben. Ein wenig beschleunigen lässt sich das Verfahren, indem Buchstaben reihen- und spaltenweise gezeigt werden, wobei sich dann der Buchstabe aus der stärksten Spalte und der stärksten Zeile ergibt. Nachteil dieser Methode ist, dass sich nur von vorgegebenen Möglichkeiten auswählen lässt, und dass eine ganze Serie von Präsentationen bei hoher Aufmerksamkeit zur Auswahl nur eines Buchstaben verwendet wird.B) P300 Rare or particularly significant stimuli interspersed with common stimuli, which may be auditory, visual, or somatosensory, induce an activity peak (typically in the EEG above the parietal cortex) with a time delay of about 300 ms versus the stimulus. If you show the patient a selection of letters, for example, and let them flash one after the other, the P300 is strongest for the desired letter. The process can be speeded up a bit by showing letters in rows and columns, with the letter resulting from the strongest column and the strongest row. Disadvantage of this method is that you can only select from predetermined possibilities, and that a whole series of presentations with high attention to the selection of only one letter is used.
C) Mu- und Beta- Rhythmus: Die 8-12 Hz Mu- und 13-30 Hz Beta- Aktivität findet sich verstärkt über dem so- matosensorischen und motorischen Kortex. Bewegung oder Bewegungsvorbereitung gehen zumeist mit einer Verringerung von Mu- und Beta-Rhythmen einher, während nach einer Bewegung oder bei Entspannung meist eine Rhythmusverstärkung erfolgt. Es wurde gezeigt, das Probanden wiederum nach mehrwöchigem Training lernen können, die Stärke dieser Rhythmen zu steuern, zuletzt sogar unabhängig für Mu und Beta, so dass eine zweidimensionale Cursorkontrolle möglich war. Damit ist ein Fortschritt gegenüber den SPCs erreicht, der aber nur graduell ist und die Nachteile nicht ausräumt. Außerdem können Bewegungen die Mu-Rhythmen beeinflussen und damit die Genauigkeit der Steuerung vermindern. All diesen Methoden ist gemeinsam, dass ein willentliches Erreichen der entsprechenden Hirnaktivitäten in Training wie Anwendung eine hohe Konzentration erfordert und für den Patienten sehr ermüdend ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Patient ja häufig neben seiner Lähmung mit gravierenden anderen gesundheitlichen Problemen zu kämpfen hat. Von einer Heilung im Sinne eines beiläufigen Beschäftigens mit anderen Dingen unter Nutzung einer Prothese, welche die verlorene Bewegungsfähigkeit ohne Mühe ersetzt, kann also keine Rede sein. Darüber hinaus benötigt die Erkennung der Hirnaktivität jeweils relativ viel Zeit und kann nur wenig Information übertra- gen (typischerweise zwischen 1-20 Bits pro Minute). Damit entsteht ein BMI mit einer sehr geringen Informationsübertragungsbandbreite. Komplexe und selbst noch einfache Bewegungen lassen sich auf diese Weise nicht steuern. Alltägliche Tätigkeiten wie das Schreiben eines einfachen Briefes kosten Stunden, wenn nicht Tage äußerster Konzentration.C) Mu and Beta Rhythm: The 8-12 Hz Mu and 13-30 Hz beta activity is found more frequently over the somatosensory and motor cortex. Movement or exercise preparation is usually associated with a reduction of mu and beta rhythms, while after a movement or relaxation usually a rhythm enhancement occurs. Once again, after several weeks of training, subjects were shown to be able to control the strength of these rhythms, most recently independently for Mu and Beta, allowing two-dimensional cursor control. This is an improvement over the SPCs achieved, but this is only gradual and does not eliminate the disadvantages. In addition, movements can affect the mu rhythms and thus reduce the accuracy of the control. All these methods have in common that a voluntary achievement of the corresponding brain activities in training as application requires a high concentration and is very tiring for the patient. It should be noted that the patient often has in addition to his paralysis with serious other health problems to fight. From a healing in the sense of a casual dealing with other things using a prosthesis, which replaces the lost mobility without effort, so there can be no question. In addition, the detection of brain activity requires a relatively large amount of time and can only transmit little information (typically between 1-20 bits per minute). This creates a BMI with a very low information transmission bandwidth. Complex and even simple movements can not be controlled in this way. Everyday activities like writing a simple letter cost hours, if not days of extreme concentration.
Bekannt ist weiterhin, eine Prothese über die Aktivierung noch willkürlich kontrollierbarer Muskeln anzusteuern. Nachteilig hieran ist zum einen, dass der Patient sich nicht in der gewohnten Weise äußern kann, beispielsweise muss er sich daran gewöhnen, durch Augenblinzeln zu kommunizieren. Andererseits hat eine solche Lösung ein nur eingeschränktes Einsatzfeld und kann offensichtlich einem vollständig locked-in-Patienten nicht helfen.It is also known to drive a prosthesis on the activation of still arbitrarily controllable muscles. The disadvantage of this is firstly that the patient can not express himself in the usual way, for example, he must get used to communicate by blinking eyes. On the other hand, such a solution has a limited field of use and obviously can not help a completely locked-in patient.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit der Kommunikation und Bewegungsfähigkeit zu schaffen, bei der ein Effektor mit hoher Informationsüber- tragungsrate in einer für den Patienten ungefährlichen und einfachen Weise aus dessen Hirnaktivität angesteuert wird.It is therefore an object of the invention to provide a possibility of communication and mobility in which an effector with a high information transmission rate is driven from its brain activity in a manner which is harmless and simple for the patient.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 13 bzw. 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin- düng sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 13 and 21, respectively. Advantageous developments of the invention düng are defined in the dependent claims.
Dabei geht die erfinderische Lösung zunächst von der Erkenntnis aus, dass herkömmliche BMI-Systeme ein beliebiges oder willkürlich trainiertes Signal verwenden, das mit dem originären bzw. eigentlichen biologischen Signal für die auszuführende Funktion nichts zu tun hat. Demzufolge dauert das Training oft lange und die Steuerung komplexer natürlicher Bewegungen wird verhindert oder ist zumindest stark erschwert. Deshalb geht die Erfindung von dem Prinzip aus, die natürlichen Aktivitätsmuster des Patienten auszunutzen, wie dieser sie bereits vor dem Verlust der eigenen Bewegungsfähigkeit erlernt hat. Für das Verständnis der erfinderischen Lösung ist zu ergänzen, dass unter „natürlichen neuronalen In- formationsverarbeitungsprozessen" solche zu verstehen sind, die eine direkte Repräsentation der zentralnervösen Verarbeitung bewegungsrelevanter Information beinhalten, wie sie auch bei gesunden Menschen stattfindet, und die also kein Training erfordern. Abzugrenzen sind dagegen „künstliche neuronale Prozesse", die eigens für die Steuerung des Effektors gelernt werden müssen oder die zwar einer natürlichen Aktivität des Gehirns entsprechen, wobei diese Aktivität aber ursprünglich vor dem Training keinerlei Bezug zu der zu erlernenden Bewegung hatte.The inventive solution is initially based on the knowledge that conventional BMI systems use any or arbitrarily trained signal that has nothing to do with the original biological signal for the function to be performed. As a result, training often takes a long time and control of complex natural movements is prevented or prevented is at least very difficult. Therefore, the invention is based on the principle of exploiting the patient's natural patterns of activity, as he has already learned before losing his own ability to move. For the understanding of the inventive solution, it should be added that "natural neural information processing processes" are to be understood as meaning those which directly represent the central nervous processing of movement-relevant information, as is also the case in healthy people, and which therefore do not require any training. Delimitations, on the other hand, are "artificial neuronal processes" that need to be learned specifically for the control of the effector, or that may correspond to a natural brain activity, but this activity was originally unrelated to the movement to be learned before training.
Ein Vorteil der Erfindung ist, die Übersetzung der natürlichen Signale einer Be- wegung in eine entsprechende Bewegung der Prothese mittels eines direkten, leicht trainierbaren Zugriffs auf die gewünschten Steuerungsmöglichkeiten in ihrer gesamten natürlichen Komplexität und Vielfalt zu ermöglichen. Das Training ist unmittelbar in der gewohnten Weise auf die Steuerung der Bewegung bezogen und daher motivierend, zielführend, nicht rasch ermüdend und insgesamt einfa- eher, da die von Kindheit an gelernten Aktivitätsmuster verwendet werden können. In der Anwendung wird der Patient deshalb auch nicht mit jeder zu übertragenden Information an das Künstliche und mühsam Erlernte erinnert.An advantage of the invention is to enable the translation of the natural signals of a movement into a corresponding movement of the prosthesis by means of a direct, easily trainable access to the desired control possibilities in their entire natural complexity and diversity. Training is directly related to the control of movement in the usual way, and is therefore motivating, purposeful, not quickly tiring and generally easier, as the activity patterns learned from childhood can be used. In the application, the patient is therefore not remembered with every information to be transmitted to the artificial and laboriously learned.
Das erleichtert die Verwendung und die Akzeptanz einer Prothese in einem so ho- hen Maße, dass hier von einer wesentlich verbesserten Therapie im Sinne eines echten Schrittes zu einer Heilung gesprochen werden kann. Insgesamt verbessert der Patient, von den ganz persönlichen Vorteilen einer wiedergewonnenen Ausdrucksmöglichkeit abgesehen, auch in wirtschaftlicher Hinsicht seine Selbständigkeit, soziale Integration und sogar Erwerbsfähigkeit und verringert seine Ab- hängigkeit von Sozialleistungen und Pflege. Vorteilhafterweise weist die Datenverarbeitungsanlage eine Empfangseinheit für die Eingangssignale sowie eine Ansteuerungseinheit zum Zuführen der Ansteue- rungssignale an den Effektor auf. Über diese zusätzlichen Einheiten kann die Datenverarbeitungsanlage dann mit den Komponenten für Informationsein- und -ausgäbe kommunizieren.This facilitates the use and acceptance of a prosthesis to such an extent that it is possible to speak of a substantially improved therapy in the sense of a real step towards a cure. Overall, the patient, apart from the very personal advantages of a regained possibility of expression, also improves his independence, social integration and even earning capacity in economic terms and reduces his dependency on social benefits and care. Advantageously, the data processing system has a receiving unit for the input signals and a drive unit for supplying the drive signals to the effector. The data processing system can then communicate with the components for information input and output via these additional units.
Vorteilhafterweise ist die Ableitelektrode für die Bestimmung der elektromagnetischen Eingangsignale aus neuronaler Populationsaktivität ausgebildet, insbesondere eine LFP (lokales Feldpotential)-, ECoG (Electrocorticographie)- oder EEG (Elektroenzephalographie)-Elektrode. Dies ermöglicht bei gutem Zugang zu den abzuleitenden Hirnarealen Messungen hoher Signalstabilität etwa gegen Erschütterungen oder sonstige Veränderungen bei Langzeitableitung sowie eine genaue Bewegungsvorhersage.Advantageously, the Ableitelektrode for the determination of the electromagnetic input signals from neuronal population activity is formed, in particular an LFP (local field potential) -, ECoG (electrocorticography) - or EEG (electroencephalography) electrode. This allows for good access to the brain areas to be derived measurements of high signal stability such as vibrations or other changes in long-term derivation and accurate movement prediction.
Bevorzugt ist die Ableitelektrode nichtinvasiv, wobei die Ableitelektrode im Betrieb außen auf der Kopfoberfläche, unter die Haut, unter die Schädeldecke auf das Hirngewebe aufgesetzt oder innerhalb eines Sulcus eingesetzt wird, ohne Hirngewebe zu verletzen. Invasive Verfahren können zwar einzelne Neuronen (SUA, single unit acitivity) oder Neuronengruppen (LFP) erreichen. Dies wird a- ber durch eine Verletzung erkauft, deren Folgen oft nicht absehbar sind. Deswegen und wegen der Infektions- und Operationsrisiken ist der Einsatz invasiver E- lektroden beschränkt.Preferably, the Ableitelektrode is non-invasive, the Ableitelektrode is placed in operation outside on the head surface, under the skin, under the skull on the brain tissue or inserted within a sulcus without injuring brain tissue. Although invasive procedures can reach single neurons (SUA) or neuronal groups (LFP). This, however, is paid for by an injury, the consequences of which are often unforeseeable. Because of this and because of the risks of infection and surgery, the use of invasive electrodes is limited.
Vorteilhafterweise bestimmt die Ableitelektrode im Betrieb bewegungsbezogene Eingangssignale aus für Bewegungen zuständigen Gehirnarealen, insbesondere von Informationsprozessen bei der Vorstellung, Planung, Ausführung oder Steuerung einer Bewegung im Motorcortex. Zwar können auch andere Eingangssignale sinnvoll einen Effektor steuern, etwa visuelle Signale. Dennoch liefern bewegungsbezogene Eingangssignale besonders der mit motorischer Steuerung befass- ten Gehirnareale die am besten geeigneten Eingangsdaten für eine Bewegungssteuerung. Bevorzugt bildet in dem Training ein Durchlauf einer Standardbewegung einenAdvantageously, the discharge electrode determines during operation movement-related input signals from brain areas responsible for movements, in particular information processes during the presentation, planning, execution or control of a movement in the motor cortex. Although other input signals can usefully control an effector, such as visual signals. However, motion-related input signals, particularly those of the motor-controlled brain, provide the most suitable input for motion control. Preferably, in the training, one pass of a standard movement forms one
Trainingsschritt, und während jedes Trainingsschrittes werden die Eingangsignale als Trainingsdaten aufgezeichnet. Eine (vorgeführte, vorgestellte oder ausgeführ- te) Standardbewegung kann somit die Basis einer Bewegungsdatenbank bilden, für die jeweils die neuronale Aktivität gespeichert ist. Das kann nicht nur zu einer unmittelbaren Verbesserung der Bestimmung des Vorhersagemodells genutzt werden, sondern auch viel später für eine erneute Kalibrierung, etwa wenn neue, also zu Zeiten des Trainings noch unbekannte, Vorhersageverfahren entwickelt oder bestehende Verfahren weiterentwickelt werden.Training step, and during each training step, the input signals are recorded as training data. A standard movement (presented, presented or executed) can thus form the basis of a movement database for which the neural activity is stored. This can be used not only to directly improve the determination of the predictive model, but also much later for recalibration, such as when new, ie at the time of training still unknown, prediction developed or existing methods are further developed.
Noch bevorzugter ist ein Trainingsschritt ein Vorführen, Sich- Vorstellen und/oder Ausführen der Standardbewegung. Diese drei Schritte, wie unten noch näher erläutert, ermöglichen ein genaues und zielgerichtetes Training. Dabei wird auch die Plastizität des Gehirns ausgenutzt, weil nicht nur die Auswerteeinheit ihre Vorhersagegenauigkeit, sondern auch der Patient seine Vorstellung der intendierten Bewegung mittels Feedbacks aus der ausgeführten Bewegung seiner Prothese verbessert. Dadurch konvergieren intendierte und tatsächliche Bewegung von beiden Seiten rasch aufeinander zu.More preferably, a training step is a demonstration, introduction, and / or execution of the standard movement. These three steps, as explained in more detail below, allow an accurate and targeted training. It also exploits the plasticity of the brain, because not only the evaluation unit improves its prediction accuracy, but also the patient improves his idea of the intended movement by means of feedback from the executed movement of his prosthesis. As a result, intentional and actual movement rapidly converge on both sides.
Vorteilhafterweise wird der Zustand des Patienten während jedes Trainingsschrittes kategorisiert und gespeichert, und dieser Zustand beeinflusst die Gewichtung der jeweiligen Trainingsdaten bei der Bestimmung des Vorhersagemodells, insbesondere Gesundheit, Aufmerksamkeit oder Müdigkeit. Die Erfinder konnten zei- gen, dass die relevante Aktivität von solchen Zustandsparametern abhängig ist. Wenn das Vorhersagemodell sie berücksichtigt, kann es daher genauer werden und von dem Zustand des Patienten abhängige systematische Abweichungen richtig einordnen.Advantageously, the condition of the patient is categorized and stored during each training step, and this condition influences the weighting of the respective training data in the determination of the predictive model, in particular health, attention or fatigue. The inventors were able to show that the relevant activity is dependent on such state parameters. Therefore, if taken into account by the predictive model, it may become more accurate and correctly classify systemic deviations depending on the condition of the patient.
Vorteilhafterweise werden äußere Umstände während jedes Trainingsschrittes kategorisiert und gespeichert, und dieser Zustand beeinflusst die Gewichtung der jeweiligen Trainingsdaten bei der Bestimmung des Vorhersagemodells, insbesondere die Lage des Patienten - liegend, sitzend, stehend-, die Lichtverhältnisse oder die Umgebung. Diese äußeren Umstände beeinflussen ebenfalls die relevante Aktivität, so dass das Vorhersagemodell genauer wird, wenn es sie berücksichtigt.Advantageously, external circumstances are categorized and stored during each training step, and this condition affects the weighting of the training respective training data in the determination of the predictive model, in particular the position of the patient - lying, sitting, standing, the lighting conditions or the environment. These external circumstances also affect the relevant activity, so that the predictive model becomes more accurate if it takes it into account.
Bevorzugt bleibt ein Teil der Trainingsdaten auf ein Nichtkorrektsignal hin unbe- rücksichtig oder wird gelöscht, und dieses Nichtkorrektsignal ist insbesondere eine festgelegte Standardbewegung. Wenn der Patient sieht, dass seine Intention falsch ausgeführt wurde, muss er eine Möglichkeit haben, die entsprechenden Trainingsdaten zu korrigieren. Besonders einfach gelingt ihm dies, wenn es auf eine - sicher gelernte - Standardbewegung hin möglich ist, weil er dann während des Trainings nicht auf ein ablenkendes und somit störendes anderes Eingabeverfahren angewiesen ist, das ihm im Extremfall wegen seiner Lähmung auch gar nicht zur Verfügung stehen mag.Preferably, a portion of the training data remains disregarded or erased in response to a non-corrective signal, and this non-corrective signal is, in particular, a predetermined standard movement. If the patient sees that his intention has been misapplied, he must have a chance to correct the appropriate training data. Particularly easy he succeeds in this, if it is possible on a - certainly learned - standard movement, because he is then not dependent on a distracting and thus disturbing other input method during training, which are in extreme cases because of his paralysis not available like.
Vorteilhafterweise verwendet das Vorhersagemodell die Standardbewegungen als Interpolationspunkte bei der Zusammensetzung neuer Bewegungen. Es wird selten möglich sein, alle möglichen Bewegungen zu trainieren. Mittels einer Interpolation lässt sich der gesamte Bereich möglicher Bewegungen bei möglichst weni- gen zu trainierenden Standardbewegungen ausschöpfen.Advantageously, the predictive model uses the standard motions as interpolation points in the composition of new motions. It will rarely be possible to train all possible movements. By means of an interpolation, the entire range of possible movements can be exploited with as few standard movements as possible to be trained.
Vorteilhafterweise wird die Standardbewegung in eine Repräsentation einer Frequenz- und Phasenmodulation der Zeit- Frequenz-aufgelösten Bänder der Eingangssignale umgerechnet. Diese Parameter haben sich für eine schnelle und si- chere Vorhersage bewährt.Advantageously, the standard motion is converted into a representation of a frequency and phase modulation of the time-frequency resolved bands of the input signals. These parameters have proven themselves for fast and reliable prediction.
Bevorzugt ist der Effektor eine Prothese, ein eigenes Körperteil des Patienten oder eine Datenverarbeitungsanlage. Jeder dieser Effektoren hat seine Anwendungsgebiete und Vorteile. So kommt ein eigenes Körperteil nur in Frage, wenn es an sich noch intakt ist, und ein Rechner ermöglicht komplexes Verhalten bei nur geringem Informationsbedarf, etwa das Auslösen eines Notfallsignals. Vorteilhafterweise weisen die Ansteuerungssignale eine Zielvorgabe auf, welche von dem Effektor in eine Aktion oder Bewegung einschließlich nicht in den An- steuerungssignalen enthaltener Zwischenzielvorgaben umgerechnet werden. Der Patient muss dann bei einer intendierten Bewegung nicht alle Zwischenstationen ansteuern, wodurch auch die korrekte Vorhersage erschwert würde. Einfache physikalische Gesetze bestimmen häufig die genauere Bewegung, und diese Details können von der Auswertungseinheit oder einer Elektronik in dem Effektor unabhängig von der Vorhersage bestimmt werden.Preferably, the effector is a prosthesis, a patient's own body part or a data processing system. Each of these effectors has its fields of application and advantages. Thus, a separate body part is only in question, if it is still intact, and a computer allows complex behavior with little need for information, such as the triggering of an emergency signal. Advantageously, the drive signals have a destination, which are converted by the effector into an action or movement including intermediate destinations not contained in the drive signals. The patient then does not have to drive all intermediate stations during an intended movement, which would also make the correct prediction difficult. Simple physical laws often determine the more accurate motion, and these details can be determined by the evaluation unit or electronics in the effector, independent of the prediction.
Bevorzugt ist ein Verstärker zwischen der Ableitelektrode und der Empfangseinheit vorgesehen, der die Eingangssignale filtert und/oder verstärkt. Die neuronalen Signale, welche die Elektroden ableiten, bedürfen oftmals einer Aufbereitung, ehe mit ihrer Auswertung begonnen werden kann. Dadurch erhöht sich wiederum die Vorhersagegenauigkeit.Preferably, an amplifier between the Ableitelektrode and the receiving unit is provided, which filters the input signals and / or amplified. The neural signals which derive the electrodes often require treatment before they can be started with their evaluation. This in turn increases the prediction accuracy.
Das erfinderische Verfahren zeigt ähnliche und weitere Merkmale und Vorteile, wie sie beispielhaft, aber nicht abschließend, in den sich anschließenden Unteransprüchen beschrieben sind.The inventive method has similar and further features and advantages as are described by way of example but not limitation in the appended subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung detailliert beschrieben. Die Zeichnung zeigt in:The invention will be described in detail below with respect to further features and advantages with reference to the accompanying drawings. The drawing shows in:
Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung der Erfindung; Fig. 2 eine Draufsicht auf die Trägeroberfläche mit einer Vielzahl von Einzelelektroden einer bevorzugten Ausgestaltung der Ableitelektrode;Fig. 1 is a schematic overview of the invention; Figure 2 is a plan view of the carrier surface with a plurality of individual electrodes of a preferred embodiment of the discharge electrode.
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Signalübertragungsschnittstelle für eine Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 neuronale Aktivitätssignale für eine Bewegung bei drei verschiedenen Zuständen des Probanden;Fig. 3 is a schematic representation of the signal transmission interface for an embodiment of the invention; FIG. 4 shows neuronal activity signals for a movement in three different states of the subject; FIG.
Fig. 5 Decodierwahrscheinlichkeiten für drei verschiedene Varianten, den Zustand des Probanden im Vorhersagemodell zu be- rücksichtigen;Fig. 5 decoding probabilities for three different variants to take into account the state of the subject in the prediction model;
Fig. 6 eine beispielhafte Schemadarstellung für die Umrechnung von neuronalen Signalen/Daten in Steuerungssignale für einen Effektor mit Hilfe eines Vorhersagemodells;6 shows an exemplary schematic representation for the conversion of neuronal signals / data into control signals for an effector with the aid of a predictive model;
Fig. 7 eine Darstellung einer Armprothese als Beispiel eines Effek- tors, der von einer Ausführungsform der Erfindung angesteuert werden kann;7 shows an illustration of an arm prosthesis as an example of an effector, which can be actuated by an embodiment of the invention;
Fig. 8 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Anwendung;8 is a flow chart of the method according to the invention in use;
Fig. 9 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbau der Datenbank; und9 is a flowchart of the method according to the invention for constructing the database; and
Fig. 10 einen Überblick über das erfindungsgemäße System und10 is an overview of the system according to the invention and
Verfahren.Method.
Fig. 1 zeigt eine Übersicht des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Neuroprothese. Die jeweiligen Einzelheiten der Komponenten werden dann weiter unten näher beschrieben. Eine Ableitelektrode 1 zur Ableitung der neuronalen Aktivität der Großhirnrinde (Cortex cerebri) 2 eines menschlichen Gehirns ist unter dem Schädel eines Patienten eingesetzt oder, in alternativen Ausführungsformen, unter die Kopfhaut oder auf der Kopfoberfläche aufgesetzt.1 shows an overview of the structure of a neuroprosthesis according to the invention. The particular details of the components will be described in more detail below. A lead-out electrode 1 for deriving the neuronal activity of the cerebral cortex (cerebral cortex) 2 of a human brain is inserted under the skull of a patient or, in alternative embodiments, placed under the scalp or on the head surface.
Die Ableitelektrode 1 misst die neuronale Aktivität und leitet sie über eine Si 1Sg1nal- schnittsteile 3 als elektromagnetische Eingangssignale an einen Verstärker 4 weiter, der vorzugsweise als Mehrkanalverstärker ausgebildet ist. Der Verstärker verstärkt und filtert die elektromagnetischen Eingangssignale der Ableitelektrode 1 mit hoher zeitlicher Auflösung und leitet die derart vorverarbeiteten Signale in Echtzeit an einen Auswertechip, einen Computer oder dergleichen System 5 zur Signalverarbeitung weiter. Dort werden die Signale in Echtzeit mit Hilfe eines Vorhersagemodells klassifiziert und entsprechende Steuersignale erzeugt. Auf funktioneller Beschreibungsebene wird hier für bestimmte, trainierte Willkürbewegungen des Patienten, die dieser nicht mehr selbst ausführen kann, die Hand- lungsintention aus den Aktivitätssignalen bestimmt.The lead-out electrode 1 measures the neuronal activity and forwards it via an Si 1 Sg 1 nal schnittsteile 3 as electromagnetic input signals to an amplifier 4, which is preferably designed as a multi-channel amplifier. The amplifier amplifies and filters the electromagnetic input signals of the lead-out electrode 1 with high temporal resolution and forwards the thus preprocessed signals in real time to an evaluation chip, a computer or the like system 5 Signal processing continues. There, the signals are classified in real time using a predictive model and generated corresponding control signals. At the functional descriptive level, the action intention from the activity signals is determined here for certain, trained arbitrary movements of the patient, which the patient can no longer perform himself.
Mit Hilfe der Steuersignale wird ein Effektor 6 angesteuert. Dabei kann es sich um eine klassische Prothese, also eine mechanische Nachbildung eines Körperteils, aber auch um eigene Körperteile handeln. Denkbar ist darüber hinaus ein virtueller Befehl wie der an einen Computercursor oder eine Menüauswahl. Umgekehrt kann der Effektor 6 Effektorzustandssignale an das System 5 zurückgeben, um ein Feedback der Effektorsteuerung zu ermöglichen.With the aid of the control signals, an effector 6 is activated. This can be a classic prosthesis, ie a mechanical replica of a body part, but also its own body parts. It is also conceivable a virtual command such as the to a computer cursor or a menu selection. Conversely, the effector 6 may return effector condition signals to the system 5 to allow feedback of the effector control.
Es gibt eine ganze Reihe von Ableitverfahren, mit denen die Aktivität von Neuro- nen durch eine Ableitelektrode 1 elektromagnetisch gemessen wird. Dabei ist die Ableitelektrode 1 in der praktischen Anwendung als Multielektrode ausgebildet.There is a whole series of derivation methods with which the activity of neurons is electromagnetically measured by a deflection electrode 1. In this case, the discharge electrode 1 is formed in the practical application as a multi-electrode.
Für gewöhnlich wird dabei die elektrische Spannung aufgezeichnet. Zu unterscheiden sind dabei invasive und nichtinvasive Verfahren abhängig davon, ob die Ableitelektrode 1 in den Körper oder gar in das Hirngewebe eindringt und es dabei notwendigerweise verletzt. Zu den invasiven Verfahren zählt die Einzelzellableitung (SUA, single unit activity), bei der die Ableitelektrode 1 in die Nähe eines einzelnen Neurons gebracht wird oder sogar dort eindringt, sowie die Bestimmung lokaler Feldpotentiale (LFP, local field potential), bei der die Ableitelektro- de 1 das maßgeblich von den benachbarten Neuronen bestimmte elektrische Potentialfeld aus ihrer Umgebung misst. Die invasiven Verfahren erlauben, tiefere Schichten des Gehirns zu erreichen und (räumlich aufgelöst) genauere Messdaten zu erhalten. Dies wird aber durch eine teilweise Zerstörung des Hirngewebes mit oft unvorhersagbaren Folgen für den Patienten erkauft. Darüber hinaus bereitet es Schwierigkeiten, die Ableitelektrode 1 stabil in ihrer Position zu halten, um konstant Daten derselben Neuronen zu erhalten. Unter die nichtinvasiven Verfahren fällt die Elektroenzephalographie (EEG), die bei Anbringung der Ableitelektrode 1 außerhalb des Schädels eine besonders einfache Anwendung ermöglicht, aber dafür nur (räumlich) gering aufgelöste Daten liefern kann. Obwohl alle angesprochenen Verfahren für die Erfindung eingesetzt werden können, werden in einer bevorzugten Ausführungsform epikortikale Feldpotentiale gemessen (mittels ECoG, Electrocorticographie). Dabei ist die Ableitelektrode 1 eine dünne Folienelektrode, wie in Fig. 2 dargestellt, welche subdural oder epidural über einem oder mehreren ausgewählten Gebieten der Großhirnrin- de 2 implantiert wird. Es ist alternativ denkbar, die Ableitelektrode 1 außerhalb des Schädels unterzubringen. Beim Einsatz über mehreren Gebieten wird eine entsprechende Vielzahl von wie hier beschrieben gestalteten Ableitelektroden 1 verwendet.Usually, the electrical voltage is recorded. A distinction should be made between invasive and non-invasive methods, depending on whether the lead-off electrode 1 penetrates the body or even the brain tissue, thereby necessarily injuring it. Invasive procedures include single unit activity (SUA), where the lead-in electrode 1 is brought into or even enters the vicinity of a single neuron, as well as the local field potential (LFP) determination, where the lead-off electrostatic field - de 1 measures the electric potential field from its environment that is determined by the neighboring neurons. The invasive methods allow to reach deeper layers of the brain and to obtain more accurate measurement data (spatially resolved). However, this is achieved by partially destroying the brain tissue with often unpredictable consequences for the patient. In addition, it is difficult to stably hold the lead-out electrode 1 in position to constantly obtain data of the same neurons. Among the non-invasive procedures is the electroencephalography (EEG), which allows for attaching the lead-off electrode 1 outside the skull a particularly simple application, but can provide only (spatially) low-resolution data. Although all of the mentioned methods can be used for the invention, in a preferred embodiment epicortical field potentials are measured (by means of ECoG, electrocorticography). In this case, the lead-out electrode 1 is a thin foil electrode, as shown in FIG. 2, which is implanted subdurally or epidurally over one or more selected areas of the cerebrum 2. It is alternatively conceivable to accommodate the discharge electrode 1 outside the skull. When used over multiple areas, a corresponding plurality of diverting electrodes 1 designed as described herein are used.
Versuchsergebnisse der Erfinder zeigen, dass solche dünnen Folien gegenüber standardmäßig in der klinischen Diagnose verwendeten Elektroden höherer Dichte vorteilhaft für den BMI-Einsatz wären. In einer speziellen Ausführungsform ist die Ableitelektrode 1 in einer Furche (Sulcus) des Gehirns eingesetzt. Damit können auch Bereiche des Gehirns erreicht werden, die nicht an dessen äußerer Ober- fläche liegen, ohne Hirngewebe zu verletzen. Diese Anordnung wird in der einleitend genannten Schwesteranmeldung genau erläutert.Experimental results of the inventors show that such thin films would be advantageous for BMI use over higher density electrodes used by default in clinical diagnosis. In a special embodiment, the lead-out electrode 1 is inserted in a groove (sulcus) of the brain. This also allows areas of the brain to be reached that are not on the outer surface without injuring brain tissue. This arrangement is explained in detail in the introductory said sister application.
Die Gestalt der bevorzugten Folienelektrode als Ableitelektrode 1 soll nun anhand von Fig. 2 näher erläutert werden. Die Ableitelektrode 1 weist einen Träger Ia aus flexiblem oder elastischem Material auf. Als Material bieten sich Polyimid oder Silikon wegen ihrer Verträglichkeit bzw. Biokompatibilität, leichten Verarbeit- barkeit und Unempfindlichkeit an. Genauso ist aber auch jedes andere Material geeignet, das die erforderliche Flexibilität und Biokompatibilität besitzt, d.h. welches das Hirngewebe auch noch bei Langzeiteinsatz nicht beeinträchtigt. Das Ma- terial sollte darüber hinaus natürlich nicht leitend sein. Es sollte in einfacher Weise ermöglichen, dem Träger seine individuelle Form zu geben, also beispielsweise leicht zurechtzuschneiden zu sein. Schließlich muss der Träger elastisch und dünn genüg sein, meist bei einer Dicke «lern. Um kein Gewebe zu verletzen, hat der Träger abgerundete Kanten.The shape of the preferred foil electrode as a deflection electrode 1 will now be explained in more detail with reference to FIG. 2. The deflection electrode 1 has a carrier Ia made of flexible or elastic material. As a material offer themselves polyimide or silicone because of their compatibility or biocompatibility, easy processability and insensitivity. Equally, however, any other material is suitable which has the required flexibility and biocompatibility, ie which does not affect the brain tissue even with long-term use. Of course, the material should not be conductive. It should allow in a simple way to give the wearer its individual shape, so for example easy to cut to size. Finally, the wearer must be elastic and thin enough, usually with a thickness. In order not to injure tissue, the wearer has rounded edges.
Auf dem Träger befinden sich eine Reihe von Elektroden Ic, welche jeweils einzeln mit einem Kabel Ib verbunden sind, über das Signale nach außen geleitet werden können. Der Träger Ia ist in grober Näherung rechteckig dargestellt. In der Anwendung wird es oft vorteilhaft sein, ihn an das abzuleitende Gebiet anzupassen.On the carrier are a number of electrodes Ic, which are each connected individually to a cable Ib, can be passed through the signals to the outside. The carrier Ia is shown in a rough approximation rectangular. In the application, it will often be advantageous to adapt it to the area to be derived.
Die Elektroden Ic sind als Kontaktpunkte matrixförmig angeordnet. Leiterbahnen Ie im Inneren des Trägers Ib verbinden jede Elektrode Ic einzeln und ohne Überlappung ihrer jeweiligen Leiterbahnen Ie mit dem Kabel Ib für den Signalaustausch. Die Herstellungsmöglichkeiten solcher Leiterbahnen Ie und Möglichkei- ten ihrer Anordnung kennt der Fachmann.The electrodes Ic are arranged in matrix form as contact points. Conductor tracks Ie inside the carrier Ib connect each electrode Ic individually and without overlapping their respective interconnects Ie with the cable Ib for the signal exchange. The production possibilities of such printed conductors Ie and possibilities of their arrangement are known to the person skilled in the art.
Auch Elektroden können aus verschiedenem Material hergestellt werden, insbesondere Gold, Platin, einer metallischen Legierung oder auch aus leitenden Kunststoffen sowie Halbleitermaterialien. Der Träger Ia kann eine Größe von weniger als einem bis zu mehr als zehn Zentimetern annehmen. Die Elektrodenkontakte sind mit einer typischen Dichte von 1 bis zu etwa 1000 Elektrodenkontakten pro cm2 ausgelegt. Eine höhere Dichte an Elektrodenkontakten verbessert die Signalauflösung, erhöht aber natürlich den Aufwand nicht nur der Herstellung der Elektroden Ic, sondern auch den der Verstärkung und den Rechenaufwand der Ansteu- erung. Zu beachten ist hierbei auch der erhöhte Energiebedarf bei drahtloser Übertragung vieler Kanäle einer großen Elektrodenzahl. Die Energieversorgung kann durchaus zum limitierenden Faktor werden.Also electrodes can be made of different materials, in particular gold, platinum, a metallic alloy or also of conductive plastics and semiconductor materials. The support 1a may take on a size of less than one to more than ten centimeters. The electrode contacts are designed with a typical density of 1 to about 1000 electrode contacts per cm 2 . A higher density of electrode contacts improves the signal resolution, but of course increases the expense not only of the production of the electrodes Ic, but also of the gain and the computational complexity of the drive. Note also the increased energy requirements for wireless transmission of many channels of a large number of electrodes. The energy supply can definitely become the limiting factor.
Selbstverständlich kann die Anordnung je nach Bedarf von der hier dargestellten mit gegeneinander versetzten Reihen abweichen. Hier ist praktisch jede Anordnung einer Punkteschar auf einer (Ober)fläche möglich. Vorteilhafterweise verletzt dieser Träger das Hirngewebe im Gegensatz zu eindringenden Elektroden nicht. Damit wird auch eine bessere Langzeitstabilität der Signalerfassung erreicht, weil die in das Hirngewebe eindringenden Elektroden zu einer lokalen Gewebezerstörung und damit dem Erlöschen lokaler neuronaler Aktivität führen können. Je nach Anwendung kann der Träger Ia mit den Elektroden Ic auch sehr klein sein («lern). In diesem Fall ist die Operation, mit der der Träger Ia dem Patienten eingesetzt wird, mit geringem Aufwand und sehr geringer Beeinträchtigung des Patienten möglich.Of course, the arrangement may vary as needed from the illustrated here with staggered rows. Here practically every arrangement of a point share on a (top) surface is possible. Advantageously, this carrier does not injure the brain tissue, in contrast to penetrating electrodes. Thus, a better long-term stability of the signal acquisition is achieved because the penetrating into the brain tissue electrodes can lead to a local tissue destruction and thus the extinction of local neuronal activity. Depending on the application, the carrier Ia with the electrodes Ic can also be very small ("lern"). In this case, the operation with which the carrier Ia is used for the patient, with little effort and very little impairment of the patient is possible.
Diese Operation, mit welcher die Ableitelektrode 1 eingesetzt wird, bedarf einer spezifischen prächirurgischen Diagnostik und OP-Planung. Einer der wichtigsten Aspekte ist, das exakte Zielgebiet für eine Implantation zu bestimmen, welches aufgrund der starken inter-individuellen neuroanatomischen Variabilität des menschlichen Gehirns nicht a priori festgelegt werden kann. Nur in Ausnahmefällen wäre ein Einsetzen an einer Stelle erwünscht, die nicht zuvor individuell bestimmt wurde. Zwar kennt man allgemeine Kartierungen des Gehirns und weiß daher, wo bestimmte funktionelle Areale grob zu finden sind. Im spezielleren Beispiel des Motor- und des somatosensorischen Kortex ist sogar die Anatomie des Menschen örtlich nachgebildet, und einzelne Körperteile sind räumlich distinkten Gebieten des Kortex zugeordnet. Für den einzelnen Patienten ist dieses Vorwissen zumeist dennoch nicht genau genug.This operation, with which the lead-out electrode 1 is used, requires specific pre-surgical diagnostics and surgical planning. One of the most important aspects is to determine the exact target area for implantation, which can not be determined a priori due to the strong inter-individual neuroanatomical variability of the human brain. Only in exceptional cases would it be desirable to insert it at a location that was not previously determined individually. Although one knows general mappings of the brain and therefore knows, where certain functional areas are roughly to be found. In the more specific example of the motor and somatosensory cortex, even the anatomy of humans is replicated locally and individual body parts are assigned to spatially distinct areas of the cortex. For the individual patient, however, this prior knowledge is mostly not accurate enough.
Eine exakte Lokalisation der Zielgebiete für einen individuellen Patienten wird daher präoperativ durch Anwendung funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) vorgenommen. Hierbei wird ortspezifische Aktivierung des Gehirns gemessen, während der Patient die Steuerung des Effektors versucht, sich vorstellt oder beobachtet, und so der Implantationsort mit hoher räumlicher Genauigkeit bestimmt werden kann. Ergänzend kann, zur Verbesserung der Lokalisation, eine EEG-Messung mit anschließender Quellenrekonstruktion während derselben mo- torischen Paradigmen (Versuchen, Vorstellen oder Beobachten der Effektorsteuerung) durchgeführt werden.An exact localization of the target areas for an individual patient is therefore performed preoperatively by using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Here, site-specific activation of the brain is measured while the patient is trying to imagine or observe the control of the effector and thus the implantation site can be determined with high spatial accuracy. In addition, to improve the localization, an EEG measurement with subsequent source reconstruction during the same mo- toric paradigms (trying, imagining or observing the effector control).
Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Signalschnittstelle 3. Alterna- tiv kann als Lösung eine Datenübertragung durch Kabel stattfinden, wie sie bisher in der neurochirurgischen Diagnostik standardmäßig angewendet wird. Eine dauerhafte Kabelverbindung durch die Körperoberfläche birgt allerdings ein erhöhtes Infektionsrisiko und ist auch unter kosmetischen und praktischen Gesichtspunkten wenig attraktiv. Bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausfüh- rungsform erfolgt die Signalübertragung zwischen Elektrode und Verstärker durch induktive Energieübertragung ohne transkutane Kabel Verbindung.FIG. 3 shows a preferred embodiment of the signal interface 3. Alternatively, as a solution, data transmission by cable can take place, as has hitherto been used by default in neurosurgical diagnostics. A permanent cable connection through the body surface, however, carries an increased risk of infection and is also less attractive from a cosmetic and practical point of view. In the preferred embodiment described here, the signal transmission between the electrode and the amplifier takes place by inductive energy transmission without a transcutaneous cable connection.
Das drahtlose Signalübertragungssystem 3 ist zweigeteilt in je einen Anteil oberhalb und unterhalb der Hautoberfläche 3a. Von der äußeren Sen- de/Empfangseinheit außerhalb des Körpers, also hier oberhalb der Hautoberfläche 3a dargestellt, ist nur stellvertretend eine Spule 3b gezeigt. Diese äußere Sende/Empfangseinheit kann in einer Ausführungsform lediglich Daten an den Verstärker 4 oder das Rechnersystem 5 drahtlos oder per direkter Kabelverbindung vermitteln. Denkbar ist auch eine alternative Ausführungsform, bei der Verstärker 4 und/oder Rechnersystem 5 teilweise oder vollständig in einem Chip enthalten ist, der auf der Schädeloberfläche oder einem anderen geeigneten Ort am Körper untergebracht ist. Welche Ausführungsform jeweils bevorzugt wird oder überhaupt umsetzbar ist, hängt von der Komplexität der Anwendung ab. Derzeit ist zumindest eine kompakte Sende/Empfangseinheit an einen externen Verstärker 4 bzw. ein Rechnersystem 5 über nahezu beliebige Entfernungen (Mobilfunk, Bluetooth, WLAN) technisch ohne weiteres möglich.The wireless signal transmission system 3 is divided into two parts each above and below the skin surface 3a. From the outer transmitter / receiver unit outside the body, that is to say here above the skin surface 3a, only a coil 3b is shown as representative. In one embodiment, this external transceiver unit can only transmit data to the amplifier 4 or the computer system 5 wirelessly or by direct cable connection. Also conceivable is an alternative embodiment in which amplifier 4 and / or computer system 5 is partially or completely contained in a chip which is accommodated on the skull surface or another suitable location on the body. Which embodiment is preferred in each case or is feasible at all depends on the complexity of the application. At present, at least one compact transmitting / receiving unit to an external amplifier 4 or a computer system 5 over almost arbitrary distances (mobile radio, Bluetooth, WLAN) is technically possible without further ado.
Einer der genannten Übertragungswege kann auch für den Datenaustausch mit dem Effektor 6 genutzt werden. Im Falle einer Ansteuerung eines gelähmten na- türlichen Körperteils kann eine weitere zweiteilige Signalübertragungsschnittstelle ähnlich der hier beschriebenen in dem jeweiligen Körperteil eingesetzt werden. Da die äußere Sende/Empfangseinheit leicht zugänglich ist, kann sie auch der fortschreitenden Technik angepasst bzw. ausgetauscht werden, ohne dass ein erneuter operativer Eingriff erforderlich wird.One of the mentioned transmission paths can also be used for the data exchange with the effector 6. In the case of an activation of a paralyzed natural body part, a further two-part signal transmission interface similar to that described here can be used in the respective body part. Since the external transceiver unit is easily accessible, it can also be adapted or replaced according to the advancing technology, without the need for a renewed surgical intervention.
Unterhalb der Hauptoberfläche 3a ist als Gegenstück zu der äußeren Sende/Empfangseinheit ein Multifunktionschip 3c als innere Sende/Empfangseinheit eingesetzt. Dieser Multifunktionschip 3c weist eine Empfängereinheit 3c 1, eine Sendereinheit 3c2 und optional eine Batterieeinheit 3c3 auf. Über das Kabel Ib werden die Signale von den Elektroden Ic des Trägers Ia der Sendereinheit 3c2 bzw. der Empfangseinheit 3c 1 zugeführt.Below the main surface 3a, a multi-functional chip 3c is used as the inner transmitting / receiving unit as a counterpart to the outer transceiver unit. This multi-functional chip 3c has a receiver unit 3c 1, a transmitter unit 3c2 and optionally a battery unit 3c3. Via the cable Ib, the signals from the electrodes Ic of the carrier Ia of the transmitter unit 3c2 and the receiving unit 3c 1 are supplied.
Im Betrieb überträgt die Spule 3b der äußeren Sende/Empfangseinheit Energie und eventuelle Steuersignale für die Ableitelektrode 1 induktiv über Hochfrequenzsignale an die Empfangseinheit 3c 1. Solche Steuersignale können An- und Abschaltbefehle oder etwa eine Abfrage nach dem Energiezustand der Batterie 3c3 sein. Die Schnittstelle eignet sich grundsätzlich auch für die Übertragung von Stimulationssignalen an die Ableitelektrode 1.In operation, the coil 3b of the outer transceiver transmits power and any control signals for the Ableitelektrode 1 inductively via radio frequency signals to the receiving unit 3c 1. Such control signals can be on and off commands or about a query on the power state of the battery 3c3. The interface is basically also suitable for the transmission of stimulation signals to the deflection electrode 1.
Der Multifunktionschip 3c bestimmt die aufmodulierten Steuer- oder die genann- ten Stimulationssignale in aus der Nachrichtentechnik bekannter Weise. Die E- nergie für die erforderlichen Rechenoperationen von Steuerungseinheiten in dem Multifunktionschip 3c werden aus den Hochfrequenzsignalen bezogen. Alternativ kann Batterie 3c3 bzw. ein Akkumulator induktiv über die Hochfrequenzsignale aufgeladen werden, so dass die Energieversorgung zeitlich von der Übertragung an der Schnittstelle entkoppelt ist. Dabei ist natürlich zwischen Auflade- und Stimulationssignalen zu trennen, etwa durch Zeitfenster oder durch getrennte Frequenzbänder.The multifunction chip 3c determines the modulated control or the said stimulation signals in a manner known from telecommunications engineering. The energy for the required arithmetic operations of control units in the multi-functional chip 3c are obtained from the high-frequency signals. Alternatively, battery 3c3 or an accumulator can be inductively charged via the high-frequency signals, so that the energy supply is decoupled in time from the transmission at the interface. Of course, it is necessary to distinguish between charging and stimulation signals, for example by time windows or by separate frequency bands.
Umgekehrt werden Signale der Messelektroden Ic über das Kabel Ib an die Sen- dereinheit 3c2 übertragen und dort, bevorzugt im Signalband von 402-405 MHz des MICS (Medical Implantable Service Band), auf die Spule 3b oder ein für den Empfang ausgelegtes Gegenstück der nur stellvertretend dargestellten Spule 3b übertragen.Conversely, signals from the measuring electrodes Ic are transmitted via the cable Ib to the transmitter unit 3c2 and there, preferably in the 402-405 MHz signal band of the MICS (Medical Implantable Service Band), on the coil 3b or one for the Reception designed counterpart of only representatively shown coil 3b transmitted.
Bisher wurde die Übertragungsschnittstelle so beschrieben, dass die Sendeleistung der Sendeeinheit 3c2 nur bis zu der Spule 3b der äußere Sende/Empfangseinheit reicht. Alternativ könnte die Sendeeinheit 3c2 auch direkt an den Verstärker 4 senden, der möglicherweise sogar nicht auf der Schädeloberfläche aufsitzt. In diesem Fall ist die Energieversorgung des Multifunktionschips 3c entweder durch langlebige Batterien (derzeit technisch nicht zufrieden stellend) oder eine Aufla- demöglichkeit etwa in der beschriebenen Weise durch Induktion oder durch Ausnutzung köpereigener Energiequellen sicherzustellen.So far, the transmission interface has been described so that the transmission power of the transmitting unit 3c2 extends only to the coil 3b of the external transmitting / receiving unit. Alternatively, the transmitting unit 3c2 could also send directly to the amplifier 4, which may not even be seated on the skull surface. In this case, the power supply of the multi-functional chip 3c either by long-lasting batteries (currently technically unsatisfactory) or a Aufla- possibility to ensure approximately in the manner described by induction or by exploitation of the body's own energy sources.
Die Eingangssignale der Ableitelektrode 1 sind für den Verstärker 4 nunmehr außerhalb des Schädels zugänglich. Der Verstärker 4 arbeitet die Eingangsignale in bekannter Weise auf. Dabei können zusätzlich zu einer Verstärkung Hoch-, Tief-, oder Bandpassfilter zum Einsatz kommen (beispielsweise Savitzky-Golay- , But- terworth- oder Chebychevfilter). Vorteilhaft ist eine hohe zeitliche Auflösung für Echtzeit-Übertragung, idealerweise liegt die Abtastrate bei mehr als 200 Hz, geringere Werte sind jedoch nicht ausgeschlossen. Die derart vorverarbeiteten Ein- gangssignale werden dann zur Auswertung an das System 5 weitergeleitet.The input signals of the deflection electrode 1 are now accessible to the amplifier 4 outside the skull. The amplifier 4 operates on the input signals in a known manner. In addition to a gain, high-pass, low-pass or band-pass filters may be used (for example Savitzky-Golay, Buttersworth or Chebychev filters). A high temporal resolution for real-time transmission is advantageous, ideally the sampling rate is more than 200 Hz, but lower values are not excluded. The thus preprocessed input signals are then forwarded to the system 5 for evaluation.
Die Funktion des Systems 5 ist, aus den Eingangssignalen Steuerungssignale für den Effektor 6 zu berechnen. Dabei können zwei Phasen unterschieden werden, nämlich eine Trainings- und eine Anwendungsphase. Dabei kann die Anwendung immer wieder von erneutem Training zur Verbesserung oder zum Erlernen weiterer Ansteuerungen unterbrochen werden. Das Training dient der Bestimmung eines Vorhersagemodells, mit dessen Hilfe das System 5 dann während der Anwendung die Bewegungsabsicht des Patienten erkennt und entsprechende Steuerungssignale errechnet. Ziel des Trainings ist es, dem System 5 die erforderlichen Daten zur Klassifikation von Standardbewegungen einzugeben, um das Vorhersagemodell zu bestimmen. Dazu wird für den einzelnen Trainingsschritt eine Standardbewegung ausgewählt, die der Patient dann in einem von drei Szenarien vorgeführt bekommt, sich vorstellt oder versucht, den Effektor 6 anzusteuern. Erwiesenermaßen ruft dies ähnliche Eingangssignale wie bei einer natürlichen, selbst ausgeführten Steuerung hervor. Sofern die Lähmung noch eine (Rest-)bewegung zulässt, kann natürlich auch die tatsächliche Bewegung verwendet werden. Dies ist unter anderem vorbereitend bei nicht plötzlich eingetretenen Lähmungsursachen wie vor operati- ven Amputationen oder langsam fortschreitenden Erkrankungen wie Muskelschwund denkbar.The function of the system 5 is to calculate control signals for the effector 6 from the input signals. In this case, two phases can be distinguished, namely a training and an application phase. The application can be interrupted again and again by training to improve or to learn further controls. The training is used to determine a predictive model, with the help of which the system 5 then detects during the application, the movement intention of the patient and calculates corresponding control signals. The aim of the training is to enter into the system 5 the required data for the classification of standard movements in order to determine the predictive model. For this purpose, a standard movement is selected for the individual training step, which the patient then gets presented in one of three scenarios, introduces himself or attempts to control the effector 6. It has been proven that this produces similar input signals as a natural, self-made controller. If the paralysis still allows a (residual) movement, of course, the actual movement can be used. Among other things, this is conceivable in the case of non-sudden paralysis causes such as prior to surgical amputations or slowly progressive diseases such as muscle wasting.
In dem Trainingsparadigma liegt ein wichtiger Aspekt der Erfindung. Der Patient muss nicht unter ermüdender Aufbietung höchster Konzentration einen von dem Auswertungsverfahren vorgegebenen Zustand neuronaler Aktivität hervorrufen, der unter natürlichen Bedingungen nicht zur Steuerung der zu kontrollierenden Funktion dient, wie herkömmlich und in der Einleitung beschrieben. Stattdessen greift er ganz natürlich auf seine längst im Laufe seines Lebens erlernten Aktivitätsmuster zurück. Subjektiv tut der Patient damit sowohl während des Trainings als auch während der Anwendung nichts anderes, als wolle er ganz wie vor der Erkrankung die gesunden Muskeln ansprechen.In the training paradigm is an important aspect of the invention. The patient does not have to produce a state of neuronal activity dictated by the evaluation procedure, which under natural conditions does not serve to control the function to be controlled, as conventionally described in the introduction, under tiring, highly concentrated concentration. Instead, he naturally resorts to his patterns of activity, which he had long since learned throughout his life. Subjectively, the patient does nothing else during training or during the application, as if he wanted to address the healthy muscles just as before the illness.
Während jedes mehrfach zu wiederholenden Trainingsschritts speichert das System 5 die eingehenden Hirnsignale und kann so später Hirnsignale bestimmten Bewegungen zuordnen.During each repetition of the training step, the system 5 stores the incoming brain signals and can thus later allocate brain signals to specific movements.
Dies soll anhand einer Arm-/Handprothese näher erläutert werden. Eine zu trainierende Standardbewegung wird vom Patienten festgelegt, entweder durch Auswahl aus einem Computermenü oder durch Kommunikation mit einer Hilfskraft. Bei- spiele für Standardbewegungen mit der genannten Arm-Handprothese können sein: Hand öffnen - Hand schließen, Arm in verschiedene Richtungen bewegen und zurückführen, oder die Hand mit verschieden starker Kraft schließen.This will be explained in more detail with reference to an arm / hand prosthesis. A standard exercise to be trained is determined by the patient, either by selection from a computer menu or by communication with a helper. Examples of standard movements with the aforementioned arm prosthetic hand can to be: open hand - close hand, move arm in different directions and lead back, or close the hand with different strength.
Jetzt werden die drei verschiedenen Trainingsdatensets erzeugt. Zuerst wird dem Probanden wiederholt die gewählte natürliche Standardbewegung gezeigt. Die abgeleiteten Hirnsignale in einem Zeitintervall ab etwa einer Sekunde vor bis nach Abschluss der Standardbewegung ergibt einen Datensatz für das erste Trainingsdatenset der Matrix. Durch wiederholtes Aufzeichnen bei Vorführung der gewählten und der übrigen zu erlernenden Standardbewegungen entstehen die weiteren Datensätze, die gemeinsam das vollständige erste Trainingsdatenset bilden.Now the three different training datasets are generated. First, the subject is repeatedly shown the chosen standard natural motion. The derived brain signals in a time interval from about one second before until the completion of the standard motion yields a record for the first training data set of the matrix. Repeated recording of the selected and the remaining standard movements to be learned results in the further data sets which together form the complete first training data set.
Danach gibt ein Computerprogramm dem Probanden wiederholt vor, sich nacheinander die Standardbewegungen vorzustellen, und die währenddessen abgeleiteten Hirnsignale ergeben das zweite Trainingsdatenset. Im dritten Schritt gibt ein Computerprogramm dem Probanden vor, die Standardbewegungen zu versuchen. Die währenddessen abgeleiteten Hirnsignale ergeben das dritte Trainingsdatenset.Thereafter, a computer program repeatedly dictates to the subject sequentially the standard movements, and the brain signals derived therefrom yield the second training data set. In the third step, a computer program tells the subject to try the standard moves. The derived during this time brain signals result in the third training data set.
Optimiert wird das Training nun durch ein Feedback über die Anzeige der Genauigkeit, mit der das Vorhersagemodell die während jedes Versuchs abgeleiteten Hirnsignale der angezeigten Standardbewegung richtig zuordnen kann. So merkt der Proband direkt, wie gut er eine Bewegung schon gelernt hat, und sein Gehirn hat die Möglichkeit, sich an den Effektor 6 anzupassen. Mit anderen Worten: es verbessert sich nicht nur das System 5 durch das Training, sondern auch der Patient aufgrund der neuronalen Plastizität. Wichtig ist, dass dies nicht aufgrund an- strengender künstlich zu erzeugender Aktivitätsmuster geschieht. Das subjektive Gefühl des Patienten entspricht viel eher dem natürlichen Vorgang, wie üblicherweise eine neue motorische Fähigkeit gelernt wird - etwa das Schwimmen oder Fahrradfahren. Wegen der Effizienz des Feedback-Lernens werden im weiteren Verlauf die Daten des dritten Trainingssets zunehmend stärker gewichtet als die der beiden anderen Trainingssets. AIs letzter Teil des Trainings erfolgt die Wiederholung des dritten Teiles, aber unter verschiedenen subjektiven Bedingungen (z.B. vorbereitet und unvorbereitet, wach und schläfrig) und objektiven Bedingungen (z.B. Lichtverhältnisse, Haltung wie sitzend, stehend, liegend). Dadurch entsteht ein erweitertes drittes Trainingsset, mit dessen Hilfe sich der Trainingserfolg und die Genauigkeit der Vorhersage weiter verbessern und eine robustere Zuordnung der Hirnsignale unter verschiedenen Umständen gewährleisten lässt. Die subjektiven Bedingungen werden auch als Zustände bezeichnet, die objektiven Bedingungen als Umstände.The training is now optimized by providing feedback on the accuracy of the predictive model used to correctly correlate the brain signals derived during each experiment to the displayed standard motion. So the test person notices directly how well he has already learned a movement, and his brain has the ability to adapt to the effector 6. In other words, not only the system 5 improves through the training, but also the patient due to the neuronal plasticity. It is important that this does not happen due to strenuous activity patterns to be generated artificially. The subjective feeling of the patient is much more in line with the natural process of learning a new motor skill, such as swimming or cycling. Because of the efficiency of feedback learning, the third training set's data will be weighted progressively more heavily than the other two training sets. The last part of the training is the repetition of the third part, but under different subjective conditions (eg prepared and unprepared, awake and sleepy) and objective conditions (eg lighting conditions, posture like sitting, standing, lying). The result is an enhanced third training set that further improves training performance and prediction accuracy, ensuring a more robust association of brain signals under different circumstances. The subjective conditions are also called states, the objective conditions as circumstances.
Fig. 4 zeigt die gemessene Aktivität eines bestimmten Neurons über der Zeit für ein und dieselbe Bewegung bei drei verschiedenen Zuständen 1, 2, 3 des Versuchstieres. Wie aus den drei Diagrammen zu erkennen ist, unterscheiden sich die neuronalen Aktivitäten bzw. Signalmuster beträchtlich, insbesondere auch wäh- rend der Bewegungsdurchführung. Die gemessenen Signalmuster werden deshalb mit Bezug zu den trainierten Bewegungen und den Zuständen klassifiziert und abgespeichert, z.B. in einer Datenbank.Fig. 4 shows the measured activity of a particular neuron over time for one and the same movement in three different states 1, 2, 3 of the experimental animal. As can be seen from the three diagrams, the neural activities or signal patterns differ considerably, in particular also during the execution of the movement. The measured signal patterns are therefore classified and stored with respect to the trained motions and states, e.g. in a database.
Bei der Anwendung werden die gemessenen neuronalen Aktivitäten des Patienten mit den gespeicherten Signalmustern verglichen, um diejenige Bewegung zu ermitteln, die sich der Patient vorstellt, die er also mit dem Effektor auszuführen beabsichtigt. Hierbei werden, wenn möglich, auch die Bedingungen - äußere und innere - erfasst.In use, the measured neural activities of the patient are compared with the stored signal patterns to determine the movement that the patient is intending to perform with the effector. Here, if possible, the conditions - external and internal - are recorded.
Wählt man einen allgemeinen wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatz nach Bay- es, so bedeutet dies, dass das Modell für die Bewegungsvorhersage B aus neuronaler Aktivität N, P(BIN)=P(B) * P(N)"1 * P(NIB) für eine optimale Bewegungsvorhersage erweitert werden muss um den Zustand Z:If one chooses a general probabilistic approach according to Bayes, this means that the model for the motion prediction B from neural activity N, P (BIN) = P (B) * P (N) "1 * P (NIB) for a optimal motion prediction needs to be extended to state Z:
P(BIN5Z) = P(B) * P(ZIB) * P(Z)"1 * P(NIZ)"1 * P(NIB5Z). Wie vorteilhaft es ist, das System 5 unter vielen verschiedenen Bedingungen zu trainieren und Signalmuster mit Bezug auf die Bedingungen und die vorgestellten Bewegungen verfügbar zu haben, zeigt Fig. 5. Dort sind, für zwei Lebewesen "Subjekt 1" und "Subjekt 2", die Wahrscheinlichkeiten der korrekten Decodierung von intendierten Bewegungen in Abhängigkeit der Zahl der verwendeten Neuronen (Signalmuster) für verschieden trainierte Vorhersagemodelle angegeben. Schwarze Balken geben die Decodierwahrscheinlichkeit an, wenn die Anwendung unter bekannten, also trainierten Bedingungen (Zuständen) erfolgt; mittelgraue Balken gelten für den Fall, dass die Zustände nicht bekannt sind, und alle drei trainierten Zustände quasi „zu einer großen trainierten Bedingung" kombiniert werden; hellgraue Balken bezeichnen den Fall, dass andere Bedingungen gelten als beim Training.P (BIN 5 Z) = P (B) * P (ZIB) * P (Z) "1 * P (NIZ) " 1 * P (NIB 5 Z). FIG. 5 shows how advantageous it is to train the system 5 under many different conditions and to have available signal patterns with reference to the conditions and the movements presented. There are, for two living beings, "subject 1" and "subject 2", the probabilities of correct decoding of intended movements depending on the number of neurons used (signal pattern) for different trained predictive models specified. Black bars indicate the decoding probability if the application takes place under known, ie trained conditions; Mid-gray bars apply in the event that the states are not known, and all three trained states are combined, as it were, "into a large trained condition", while light gray bars denote the case of conditions other than training.
Wie man sieht, liefert der Fall, dass die Zustände bekannt und zugehörige Trainingsdaten dazu vorhanden sind (also Bewegungstrainingsdaten existieren), durchgängig die besten Ergebnisse. Werden viele Neuronen (Signalmuster) gleichzeitig gemessen, ist der mittelgraue Balken allerdings fast genauso gut. Das heißt, die Kombination der Trainingsdaten der drei verschiedenen Zustände kann den Verlust an Spezifität der zur Verfügung stehenden Trainingsdaten kompensieren.As you can see, the case that the states are known and associated training data exists (ie motion training data exists) consistently gives the best results. If many neurons (signal patterns) are measured at the same time, the medium gray bar is almost as good. That is, the combination of the training data of the three different states can compensate for the loss of specificity of the available training data.
Der Fall, dass nur Trainingsdaten zur Verfügung stehen, die in einem anderen Zustand gewonnen worden (hellgraue Balken), liefert durchgängig deutlich schlech- tere Ergebnisse. Zum Beispiel liegt bei Subjekt 1 selbst bei 100 Neuronen nur eine Genauigkeit von knapp 70 % vor, gegenüber 97 % bzw. 96 % wenn Trainingsdaten des gleichen Zustands vorliegen bzw. wenn die Trainingsdaten aller Zustände kombiniert werden.The case that only training data is available that has been obtained in another state (light gray bars), consistently delivers significantly worse results. For example, in subject 1, even with 100 neurons, there is an accuracy of almost 70%, compared to 97% and 96%, respectively, when training data of the same state is present or when the training data of all states are combined.
Fig. 10 fasst die Wirkungsweise des Systems 5 bei der Anwendung, also im „normalen Betrieb", zusammen. Es wird die neuronale Aktivität im Gehirn unter Er- fassung der Bedingung bzw. Kondition X gemessen. Sofern für die Kondition X bzw. den Zustand X im System Trainingsdaten (also Trainingssignalmuster) vorhanden sind, werden diese für die Ermittlung der Bewegungsvorhersage bzw. der Bewegungsansteuerungssignale für den Effektor 6 verwendet. Sofern hingegen keine Trainingsdaten für die Kondition X im System vorhanden sind, werden vorhandene Trainingsdaten ähnlicher Konditionen für die Ermittlung der Bewegungsvorhersage verwendet. Ist die Kondition X unbekannt, etwa weil sie nicht erfasst wird, werden alle Trainingsdaten, die im System vorhanden sind, für die Ermittlung der Bewegungsvorhersage verwendet.10 summarizes the mode of action of the system 5 during the application, that is to say in "normal operation." The neuronal activity in the brain is determined under the condition or condition X measured. If training data (ie training signal patterns) are present in the system for the condition X or the state X, they are used for determining the movement prediction or the movement activation signals for the effector 6. If, on the other hand, there are no training data for condition X in the system, existing training data of similar conditions are used to determine the movement prediction. If condition X is unknown, for example because it is not captured, all training data that exists in the system will be used to determine the motion prediction.
Wie oben dargelegt, ist die Bewegungsvorhersage umso besser, je mehr Konditionen und hierzu zugeordnete Trainingsdaten im System 5 eintrainiert worden sind.As stated above, the more conditions and associated training data have been trained in the system 5, the better the movement prediction.
Der Patient kann außerdem jederzeit selbständig ein neues Trainingsprogramm für neue Standardbewegungen oder für bereits erlernte unter einem neuen Umstand starten. Schließlich kann der Patient ein ,Korrekt/Nichtkorrekt-Signal' trainieren, mit dessen Hilfe ein Trainingsneustart ermöglicht wird. Damit erhält der Patient eine Kontrolle, dem System 5 mitzuteilen, dass die Vorhersagegenauigkeit nicht den Ansprüchen genügt und ein erneutes Training erforderlich ist. Dieser Neustart könnte natürlich auch unabhängig von Standardbewegungen etwa über ein Computermenü befohlen werden. Wenn der Effektor 6 aber die einzige Kommunikationsmöglichkeit des Patienten ist, sollte er diese robuste Möglichkeit durch die eigens gelernte „Nichtkorrekt"-Standardbewegung haben, sich dem System 5 mitzuteilen. Alternative Nichtkorrekt- Signale sind originäre/natürliche Fehlersignale des Gehirns, die z.B. Auftreten können, wenn eine Zuordnung nicht stimmt.In addition, the patient can independently start a new training program for new standard movements or for ones already learned under a new circumstance. Finally, the patient can train a 'correct / incorrect signal' that will enable a workout restart. This gives the patient control to tell the system 5 that the prediction accuracy does not meet the requirements and that a re-training is required. Of course, this restart could also be commanded independently of standard movements, for example via a computer menu. However, if the effector 6 is the patient's only communication capability, he should have this robust capability through the specially-trained "non-correct" default motion to communicate to the system 5. Alternative non-correct signals are original / natural brain error signals that may occur, for example if an assignment is wrong.
Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Schemadarstellung der Umrechnung von Eingangsignalen in Effektorsteuerungssignale mit Hilfe der Trainingsdaten. Auf der linken Seite sind beispielhaft drei Spannungsverläufe von drei Elektroden Ic gezeigt. Diese Spannungssignale werden zunächst als Eingangssignale im Verstärker 4 verstärkt und gefiltert. Die Filterfunktionalität kann auch in dem System 5 lokali- siert sein. Als eine beispielhafte Filtermethode - weitere sind oben im Zusammenhang mit dem Verstärker 4 genannt - werden die Spannungssignale in einem Bandpass gefiltert, anschließend über kleine Zeitfenster gemittelt und in kurze Zeitfenster eingeteilt. Die Aktivität wird dann mittels mathematischer Verfahren ausgewertet. Das Vorhersagemodell wird also einerseits durch Auswahl des mathematischen Verfahrens, andererseits durch Kalibrierung mittels der Trainingsdaten bestimmt. Somit wird die Vorhersage der beabsichtigten Bewegung durch das System 5 ermöglicht („intention prediction").6 shows an exemplary schematic representation of the conversion of input signals into effector control signals with the aid of the training data. Three voltage curves of three electrodes Ic are shown by way of example on the left side. These voltage signals are first amplified and filtered as input signals in the amplifier 4. The filter functionality can also be localized in system 5. be siert. As an exemplary filter method - others are mentioned above in connection with the amplifier 4 - the voltage signals are filtered in a bandpass, then averaged over small time windows and divided into short time windows. The activity is then evaluated by means of mathematical methods. The predictive model is therefore determined on the one hand by selection of the mathematical method, on the other hand by calibration by means of the training data. Thus, the prediction of the intended movement by the system 5 is enabled ("intention prediction").
Typische mathematische Verfahren sind: (1) Vorverarbeitung der Signale, bspw. a) Filterung (beispielsweise Tiefpass oder Bandpass), b) Zeit-Frequenzanalyse (z.B. Fourier- Transformation oder Multi-Tapering) und/oder c) Binning und Mittelung im Zeitbereich; (2) Dekodierung der vorverarbeiteten Signale bspw. Dis- kriminantenanalyse (lineare, quadratische oder regularisierte) oder Support- Vektor-Maschine (linear oder radial basis function). Die genannten Methoden sind nicht erschöpfend. Insbesondere zur Dekodierung kontinuierlicher Bewegungen sind andere als die genannten Diskriminantenanalyse und Support- Vektor- Machine zu verwenden, beispielsweise lineare Filter oder Kaiman-Filter.Typical mathematical methods are: (1) preprocessing of the signals, for example a) filtering (eg low-pass or bandpass), b) time-frequency analysis (e.g., Fourier transform or multi-tapering) and / or c) binning and averaging in the time domain; (2) decoding of the preprocessed signals, for example discriminant analysis (linear, quadratic or regularized) or support vector machine (linear or radial basis function). The methods mentioned are not exhaustive. In particular, for the decoding of continuous movements, other than the mentioned discriminant analysis and support vector machine are to be used, for example linear filters or Kalman filters.
Das Ergebnis sind die rechts dargestellten Effektorsteuerungssignale, wobei hier beispielhaft zwei Effektoreinrichtungen, etwa zwei Motoren, und deren aufzubringende Leistung entsprechend ihrer Drehgeschwindigkeit dargestellt sind.The result is the Effektorsteuerungssignale shown on the right, in which case two effector devices, such as two motors, and their applied power are shown as an example according to their rotational speed.
Zu betonen ist, dass das Vorhersagemodell nicht allein auf das Erkennen der be- grenzten Anzahl von Standardbewegungen begrenzt ist. Weitere Bewegungen können durch Inter- und Extrapolation der trainierten und aufgezeichneten neuronalen Korrelate bei Standardbewegungen erkannt werden.It should be emphasized that the predictive model is not limited to recognizing the limited number of standard movements. Further movements can be detected by interpolation and extrapolation of the trained and recorded neuronal correlates during standard movements.
Der Effektor 6 setzt die von dem System 5 gelieferten Effektorsteuerungssignale in Bewegungen um. Es soll noch einmal wiederholt werden, dass Bewegungen in einem umfassenden Sinn zu verstehen sind, also auch eine Sprachansteuerung o- der die Mimik umfassen können.The effector 6 translates the effector control signals provided by the system 5 into movements. It should be repeated again that movements in understand a comprehensive sense, so may include a voice control or the mimic.
Für den Effektor 6 kommen die drei oben genanten Gruppen in Betracht: ein me- chanisches Gerät wie ein Roboter, Roboterarm oder eine Prothese, ein eigenes Körperteil oder ein durch virtuellen Befehl eines Rechners angesteuertes elektrisches Gerät wie ein Computer, ein Mobilfunkgerät, ein Haushaltsgerät oder dergleichen.For the effector 6, the three above-mentioned groups come into consideration: a mechanical device such as a robot, robotic arm or prosthesis, a separate body part or an electrical device controlled by a virtual command of a computer, such as a computer, a mobile device, a household appliance or like.
Der erste Fall einer Prothese, also einer künstlichen Nachbildung eines Körperteils, wird im Folgenden anhand einer schematisch in Fig. 7 dargestellten Handprothese näher erläutert. Selbstverständlich kann jede Art von Prothese angesteuert werden.The first case of a prosthesis, ie an artificial replica of a body part, will be explained in more detail below with reference to a hand prosthesis shown schematically in FIG. Of course, any type of prosthesis can be controlled.
Über eine Effektoreingangsleitung 6a 1 werden die Effektorsteuerungssignale von dem System 5 an den Effektor 6 übertragen.Via an effector input line 6a 1, the effector control signals are transmitted from the system 5 to the effector 6.
Die Prothese weist ein Rotations System 6b 1 zum Drehen der Hand auf. Eine Steuerung eines Motors des Rotationssystems 6b 1 dreht die Prothese entsprechend den Effektorsteuerungssignalen. Außerdem weist die Prothese ein Greifsystem 6b2 mit Motor und Steuerung auf, das den Effektorsteuerungssignalen entsprechende Öffnungs- und Schließbewegungen eines Fingerteils der Hand ausführt. Es sollte erwähnt werden, dass zweckmäßigerweise nicht unbedingt versucht wird, alle Steuerungsdetails aus den neuronalen Daten zu ermitteln. Stattdessen könnte Sys- tem 5 auch nur die Art der intendierten Bewegung vorhersagen und dann selbstständig die erforderlichen Einzelschritte bestimmen.The prosthesis has a rotation system 6b 1 for rotating the hand. Control of a motor of the rotation system 6b 1 rotates the prosthesis in accordance with the effector control signals. In addition, the prosthesis has a gripping system 6b2 with motor and control that performs the effector control signals corresponding opening and closing movements of a finger part of the hand. It should be noted that it is not expedient to attempt to determine all control details from the neural data. Instead, system 5 could also only predict the type of movement intended and then autonomously determine the required individual steps.
Für die Generierung eines Feedbacks sind an dem Fingerteil Drucksensoren 6c angebracht. Deren ermittelte Effektorzustandssignale werden über eine Effekto- rausgangsleitung 6a2 an das System 5 zurückgegeben. Diese Daten könnten in einer Erweiterung der Erfindung als Stimulationsdaten an das Gehirn zurückgege- ben werden. Außerdem sollte das System 5 aber auch den Ist-Zustand der Prothese abfragen können, da die interne Repräsentation im System 5 damit nicht notwendig übereinstimmt. Das liegt nicht unbedingt an Ungenauigkeiten des Systems 5, sondern könnte auch durch eine von Außen einwirkende Störung, wie z. B. ein Anstoßen der Prothese, verursacht sein. Mittels des abgefragten Ist-Zustandes kennt das System dann wieder die Ausgangsposition für eine korrekte Bewegungsvorgabe.For the generation of a feedback pressure sensors 6c are attached to the finger part. Their detected effector state signals are returned to the system 5 via an effector output line 6a2. These data could be returned to the brain as stimulation data in an extension of the invention. ben. In addition, the system 5 should also be able to query the actual state of the prosthesis, since the internal representation in the system 5 does not necessarily coincide with this. This is not necessarily due to inaccuracies of the system 5, but could also be caused by an external disturbance, such. As a bumping of the prosthesis, caused. By means of the queried actual state, the system then knows again the starting position for a correct motion specification.
Schließlich ist die Prothese noch von einer Verkleidung umgeben, die zweck- mäßigerweise das Aussehen einer menschlichen Hand nachahmt. Anzumerken ist, dass eine Handprothese hier nicht auf das Öffnen und Schließen beschränkt ist, sondern mit technisch fortgeschritteneren Prothesen im Rahmen der Erfindung auch die Durchführung komplexerer Bewegungen möglich ist.Finally, the prosthesis is still surrounded by a covering which expediently imitates the appearance of a human hand. It should be noted that a hand prosthesis is not limited to the opening and closing, but with technically advanced prostheses within the scope of the invention, the implementation of more complex movements is possible.
In der zweiten Gruppe möglicher Effektoren 6 mit besonderer medizinischer Relevanz werden eigene Körperteile über funktionelle Elektrostimulation als Effektor 6 angesteuert, sofern nur die neuronale Verbindung zwischen Gehirn und dem Körperteil unterbrochen ist. Dabei werden entweder noch intakte Nervenzellen des Körperteils oder unmittelbar dessen Muskelfasern stimuliert. Ein etwaiges Feedback kann ebenfalls entweder über noch intakte körpereigene Druck-, Deh- nungs-, u.a. Rezeptoren oder mittels unterstützender Sensoren erfolgen, wie oben für den Fall der Prothesensteuerung beschrieben. Ebenso ist auch im Falle von unvollständigen Lähmungen, bei denen noch eine (schwache) Restbewegungsfähigkeit vorhanden ist, die Unterstützung dieser residuellen Bewegungen durch von Motoren getriebene mechanische Vorrichtungen denkbar.In the second group of possible effectors 6 with special medical relevance, own body parts are activated via functional electrostimulation as effector 6, if only the neuronal connection between the brain and the body part is interrupted. Either intact nerve cells of the body part or directly the muscle fibers are stimulated. Any feedback may also be provided either via still intact endogenous pressure, strain, etc. Receptors or by means of supporting sensors, as described above for the case of the prosthesis control. Likewise, even in the case of incomplete paralysis, where there is still a (weak) residual mobility, it is conceivable to support these residual movements by motor-driven mechanical devices.
Die dritte Gruppe der "virtuellen" Effektoren 6 ist besonders groß. Damit kann ein Computercursor oder eine Menüauswahl, aber auch das Einschalten des Lichts, das Absenden eines Notrufes etc. angesteuert werden. Besonders interessant ist die Steuerung einer virtuellen Prothese. Dabei wird ein Körperteil dreidimensional auf einem Bildschirm dargestellt und durch neuronale Aktivität des Patienten oder Probanden gesteuert. Das erleichtert die Anpassung und Auswahl einer geeigneten Prothese erheblich.The third group of "virtual" effectors 6 is particularly large. Thus, a computer cursor or a menu selection, but also the switching on of the light, the sending of an emergency call, etc. are controlled. Of particular interest is the control of a virtual prosthesis. In this case, a body part is displayed three-dimensionally on a screen and controlled by neuronal activity of the patient or subject. This considerably facilitates the adaptation and selection of a suitable prosthesis.
Wenn man solche Steuerungs- und Stimulationsdaten einmal in computer- verarbeitbarer Form zur Verfügung hat, ist man natürlich dank des Internets nicht mehr auf räumliche Nähe angewiesen. Die anzusteuernden Effektoren müssen sich deshalb nicht in unmittelbarer räumlicher Nähe/Verbindung zu dem den Ef- fektor steuernden Individuum befinden. So könnte eine Prothese oder ein Roboter virtuell dargestellt und gesteuert werden, die tatsächlich an einem anderen Ort stehen. Anwendungen in der Medizin, bei der ein Chirurg aus der Ferne operiert, beim Militär, das Roboter hochpräzise steuern kann, ohne Menschen in Gefahr zu bringen, oder in Verseuchungs- oder sonst unzugänglichen Gebieten wie Kern- kraftwerken, der Tiefsee, dem All sind denkbar.Once you have such control and stimulation data available in computer-processable form, of course, thanks to the Internet, you no longer depend on physical proximity. The effectors to be controlled therefore do not have to be in direct spatial proximity / connection to the individual controlling the effector. Thus, a prosthesis or a robot could be virtually represented and controlled, which are actually in another place. Medical applications in which a surgeon operates remotely, in the military, which can control robots with high precision, without endangering people, or in contaminated or otherwise inaccessible areas such as nuclear power plants, the deep sea, the universe are conceivable ,
Fig. 8 fasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewegungsansteuerung eines Effektors 6, der einem Lebewesen zugeordnet ist, zusammen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: - Einen Schritt 810 des Empfangens von Eingangssignalen, die repräsentativ für neuronale Aktivitäten des Gehirns des Lebewesens sind; Einen Schritt 850 des Gewinnens von Bewegungsansteuerungssignalen für den Effektor 6 auf der Basis der Eingangssignale, wobei aus den Eingangssignalen Signalmuster ermittelt werden, Schritt 820, und aus den Signalmustern die Bewegungsansteuerungssignale auf der Basis eines Vorhersagemodells berechnet werden, und zwar in Schritten 830 und 840, bei denen, gemäß einem vorbestimmten Vorhersagemodell, ein Vergleichsprozess der ermittelten Signalmuster mit gespeicherten Trainingssignalmustern durchgeführt wird, die repräsentativ für durch das Gehirn des Lebewesens erzeugte neuronaleFIG. 8 summarizes the method according to the invention for the movement control of an effector 6 associated with a living being. The method comprises the following steps: a step 810 of receiving input signals representative of neural activities of the brain of the animal; A step 850 of obtaining motion drive signals for the effector 6 based on the input signals, wherein signal patterns are detected from the input signals, step 820, and from the signal patterns, the motion drive signals are calculated based on a predictive model, in steps 830 and 840; in which, according to a predetermined predictive model, a comparison process of the detected signal patterns is performed with stored training signal patterns representative of neural generated by the brain of the animal
Aktivitäten mit Bezug auf trainierte Standardbewegungen sind und denen jeweils entsprechende schrittweise Bewegungen des Effektors 6 zugeordnet sind, Schritt 830, und wobei diejenigen schrittweisen Bewegungen zum Gewinnen der Bewe- gungsansteuerungssignale verwendet werden, die denjenigen Trainingssignalmustern zugeordnet sind, die gemäß demActivities related to trained standard movements are and each corresponding stepwise movements of the effector 6 are assigned, step 830, and wherein those stepwise movements are used for obtaining the movement drive signals associated with those training signal patterns, which according to the
Vergleichsprozess den ermittelten Signalmustern am ähnlichsten sind, Schritt 840.Comparison process are the most similar to the detected signal patterns, step 840.
Fig. 9 illustriert das Erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbau einer Datenbank mit Daten eines Vorhersagemodells zur Verwendung für eine Bewegungsansteuerung eines Effektors 6, der einem Lebewesen zugeordnet ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:9 illustrates the method of the invention for constructing a database of data from a predictive model for use in motion control of an effector 6 associated with an animal. The method comprises the following steps:
Einen Schritt 910 des Empfangens von Eingangssignalen, die repräsentativ für durch das Gehirn des Lebewesens erzeugte neuronale Aktivitäten mit Bezug zu trainierten Standardbewegungen desA step 910 of receiving input signals representative of neural activities produced by the brain of the subject with reference to standard trained movements of the subject
Lebewesens sind;Are living thing;
Einen Schritt 920 des Abspeicherns der Einganssignale in der Datenbank als Trainingssignalmuster; undA step 920 of storing the input signals in the database as a training signal pattern; and
Einen Schritt 930 des Zuordnens von schrittweisen Bewegungs- ansteuerungssignalen zu den Trainingssignalmustern entsprechend den jeweiligen Standardbewegungen. A step 930 of assigning stepwise motion control signals to the training signal patterns according to the respective standard movements.
Verwendete BezugszeichenUsed reference signs
1 Ableitelektrode Ia Träger1 discharge electrode Ia carrier
Ib KabelIb cable
Ic (Einzel)elektrodenIc (single) electrodes
Ie LeiterbahnenIe tracks
2 Großhirn / Kortex 3 Signalschnittstelle2 cerebrum / cortex 3 signal interface
3 a Hautoberfläche3 a skin surface
3b Spule der äußeren Sende/Empfangseinheit3b coil of the outer transceiver
3c Multifunktionschip3c multi-functional chip
3c 1 Empfangseinheit 3c2 Sendeeinheit3c 1 receiving unit 3c2 transmitting unit
3c3 Batterie/Akkumulator3c3 battery / accumulator
4 Verstärker4 amplifiers
5 System zur Auswertung und zentralen Steuerung5 system for evaluation and central control
6 Effektor 6a 1 Effektoreingangsleitung6 Effector 6a 1 Effect input line
6a2 Effektorausgangsleitung6a2 effector output line
6b 1 Rotationssystem6b 1 rotation system
6b2 Greifsystem6b2 gripping system
6c Drucksensoren 6d Verkleidung 6c pressure sensors 6d panel

Claims

12. Februar 2007 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg U50875PC GSAnsprüche February 12, 2007 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg U50875PC GS claims
1. Vorrichtung zur Bewegungsansteuerung eines Effektors (6), der einem Lebewesen zugeordnet ist, aufweisend: eine Ableiteinheit (1) zum Empfangen von Eingangssignalen, die repräsentativ für neuronale Aktivitäten des Gehirns (2) des Lebewesens sind, und eine Datenverarbeitungsanlage (5) mit einer Auswertungseinheit zur Gewinnung von Bewegungsansteuerungssignalen für den Effektor (6) auf der Basis der Eingangssignale, wobei die Auswertungseinheit ausgebildet ist zum Ermitteln von Signalmustern aus den Eingangssignalen, zum Berechnen der Bewegungsansteuerungssignale für den Effektor (6) aus den ermittelten Signalmustern und zum Durchführen, gemäß einem vorbestimmten Vorhersagemodell, eines Vergleichsprozesses der ermittelten Signalmuster mit gespeicherten Trainingssignalmustern, die repräsentativ für durch das Gehirn des Lebewesens erzeugte neuronale Aktivitäten mit Bezug auf trainierteA device for motion control of an effector (6) associated with an animal, comprising: a lead-out unit (1) for receiving input signals representative of neuronal activities of the brain (2) of the animal and a data processing system (5) an evaluation unit for obtaining motion control signals for the effector (6) on the basis of the input signals, wherein the evaluation unit is designed to determine signal patterns from the input signals, to calculate the motion control signals for the effector (6) from the detected signal patterns and to perform according to a predetermined predictive model, a comparison process of the determined signal patterns with stored training signal patterns representative of neural activities generated by the brain of the animal with respect to trained
Standardbewegungen sind und denen jeweils entsprechende schrittweise Bewegungen des Effektors (6) zugeordnet sind, und wobei diejenigen schrittweisen Bewegungen zum Gewinnen der Bewegungsansteuerungssignale verwendet werden, die den im Vergleichsprozess ermittelten Trainingssignalmustern zugeordnet sind.Are standard movements and to which respective respective stepwise movements of the effector (6) are associated, and wherein those stepwise movements are used to obtain the movement activation signals associated with the training signal patterns determined in the comparison process.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Datenverarbeitungsanlage eine Empfangseinheit für die Eingangssignale sowie eine Ansteuerungseinheit zum Zuführen der Ansteuerungssignale an den Effektor (6) aufweist. 2. Device according to claim 1, wherein the data processing system comprises a receiving unit for the input signals and a drive unit for supplying the drive signals to the effector (6).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ableiteinheit zumindest eine Ableitelektrode (1) aufweist, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb bewegungsbezogene Eingangssignale aus für Bewegungen zuständigen Gehirnarealen zu bestimmen, insbesondere von Informationsverarbeitungsprozessen bei der Vorstellung, Planung, Ausführung oder Steuerung einer Bewegung im Motorcortex.3. Device according to claim 1 or 2, wherein the discharge unit has at least one Ableitelektrode (1), which is adapted to determine in operation movement-related input signals from responsible brain areas, in particular of information processing in the presentation, planning, execution or control of a Movement in the engine cortex.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ableitelektrode (1) für die Bestimmung elektromagnetischer Eingangsignale aus neuronaler Populationsaktivität ausgebildet ist, insbesondere eine Lokale-Feldpotential-, Electrocorticographie- oder Elektroenzephalographie-Elektrode ist.4. Device according to claim 3, wherein the lead-out electrode (1) is designed for the determination of electromagnetic input signals from neuronal population activity, in particular a local field potential, electrocorticography or electroencephalography electrode.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Zustand des Lebewesens während jedes Trainingsschrittes kategorisiert und gespeichert wird und der Zustand die Gewichtung der jeweiligen Trainingsdaten bei der Bestimmung des Vorhersagemodells beeinflusst, insbesondere Körperstellung, Gesundheit, Aufmerksamkeit oder Müdigkeit.5. Device according to one of the preceding claims, wherein the state of the living being is categorized and stored during each training step and the state influences the weighting of the respective training data in the determination of the predictive model, in particular body posture, health, attention or fatigue.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswertungseinheit dazu ausgestaltet ist, dass äußere Umstände während jedes Trainingsschrittes kategorisiert und gespeichert werden und der Zustand die Gewichtung der jeweiligen Trainingsdaten bei der Bestimmung des Vorhersagemodells beeinflusst.6. Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit is configured so that external circumstances are categorized and stored during each training step and the state influences the weighting of the respective training data in the determination of the predictive model.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswertungseinheit dazu ausgestaltet ist, dass ein ermitteltes Signalmuster bei der Berechnung eines Bewegungsansteuerungssignals auf ein Nichtkorrektsignal hin unberücksichtig bleibt, wobei das Nichtkorrektsignal einem natürlichen Fehlersignal des Gehirns entspricht. 7. Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit is configured such that a detected signal pattern in the calculation of a movement drive signal to a non-correct signal is disregarded, wherein the non-correct signal corresponds to a natural error signal of the brain.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auswertungseinheit dazu ausgestaltet ist, und dass ein ermitteltes Signalmuster bei der Berechnung eines Bewegungsansteuerungssignals auf ein Nichtkorrektsignal hin unberücksichtig bleibt, wobei das Nichtkorrekt- signal einem natürlichen Fehlersignal des Gehirns entspricht.8. Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit is configured to, and that a detected signal pattern is disregarded in the calculation of a movement drive signal to a non-correct signal, the non-correct signal corresponds to a natural error signal of the brain.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Vorhersagemodell die Standardbewegungen als Interpolationspunkte bei der Zusammensetzung neuer Bewegungsansteuerungssignale verwendet.The apparatus of any preceding claim, wherein the predictive model uses the standard motions as interpolation points in composing new motion drive signals.
10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Standardbewegung in eine Repräsentation einer Frequenz- und Phasenmodulation von Zeit-Frequenz-aufgelösten Bändern der Eingangssignale umgerechnet wird.10. Device according to one of the preceding claims, wherein the standard movement is converted into a representation of a frequency and phase modulation of time-frequency-resolved bands of the input signals.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Effektor (6) eine Prothese, ein eigenes Körperteil des Patienten oder eine Datenverarbeitungsanlage ist.11. Device according to one of the preceding claims, wherein the effector (6) is a prosthesis, a separate body part of the patient or a data processing system.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bewegungsansteuerungssignale eine Zielvorgabe aufweisen, welche von dem Effektor (6) in eine Aktion oder Bewegung einschließlich nicht in den Ansteuerungssignalen enthaltener Zwischenzielvorgaben umgerechnet werden kann.12. Device according to one of the preceding claims, wherein the movement drive signals have a target which can be converted by the effector (6) into an action or movement including intermediate destinations not included in the drive signals.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Verstärker (4) zwischen der Ableitelektrode (1) und der Empfangseinheit (5) vorgesehen ist, der die Eingangssignale filtert und/oder verstärkt.13. Device according to one of the preceding claims, wherein an amplifier (4) between the Ableitelektrode (1) and the receiving unit (5) is provided, which filters the input signals and / or amplified.
14. Verfahren zur Bewegungsansteuerung eines Effektors (6), der einem Lebewesen zugeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:14. A method of motion control of an effector (6) associated with a subject, the method comprising the following steps having:
Empfangen von Eingangssignalen, die repräsentativ für neuronale Aktivitäten des Gehirns des Lebewesens sind, und Gewinnen von Bewegungsansteuerungssignalen für den Effektor (6) auf der Basis der Eingangssignale, wobei aus den Eingangssignalen Signalmuster ermittelt werden und aus den Signalmustern die Bewegungsansteuerungssignale auf der Basis eines Vorhersagemodells berechnet werden, wobei, gemäß einem vorbestimmten Vorhersagemodell, ein Vergleichs- prozess der ermittelten Signalmuster mit gespeicherten Trainingssignalmustern durchgeführt wird, die repräsentativ für durch das Gehirn des Lebewesens erzeugte neuronale Aktivitäten mit Bezug auf trainierte Standardbewegungen sind und denen jeweils entsprechende schrittweise Bewegungen des Effektors (6) zugeordnet sind, und wobei diejenigen schrittweisen Bewegungen zum Gewinnen der Bewegungsansteuerungssignale verwendet werden, die denjenigen Trainingssignalmustern zugeordnet sind, die gemäß dem Vergleichsprozess den ermittelten Signalmustern am ähnlichsten sind.Receiving input signals representative of neuronal activities of the subject's brain, and obtaining motion actuation signals for the effector (6) based on the input signals, determining signal patterns from the input signals, and calculating from the signal patterns the motion drive signals based on a predictive model wherein, according to a predetermined predictive model, a comparison process of the detected signal patterns is performed on stored training signal patterns representative of neural activities generated by the subject's brain with respect to standard trained movements and corresponding stepwise movements of the effector (6) respectively. and those stepwise movements are used to obtain the motion drive signals associated with those training signal patterns that determined the one according to the comparison process n most similar to signal patterns.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren in Echtzeit ausgeführt wird.15. The method of claim 14, wherein the method is performed in real time.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei zum Berechnen ein Zustand des Lebewesens erfasst wird und wobei gemäß dem Vorhersagemodell vorbestimmte Zustände des Lebewesens erfasst werden und mit den neuronalen Aktivitäten und den Trainingssignalen in Beziehung gebracht werden.16. The method of claim 14 or 15, wherein for calculating a state of the living being is detected and wherein according to the predictive model predetermined states of the living being are detected and related to the neural activities and the training signals.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei gemäß dem Vorhersagemodell äußere Umstände des Lebewesens erfasst werden und mit den neuronalen Aktivitäten und den Trainingssignalen in Beziehung gebracht werden.17. The method according to any one of claims 14 to 16, wherein according to the predictive model, external circumstances of the living being are detected and be related to the neural activities and the training signals.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Eingangssignale bewegungsbezogen und repräsentativ neuronale Aktivitäten von für18. The method of claim 14, wherein the input signals are motion related and representatively neural activities of for
Bewegungen zuständigen Gehirnarealen, wobei die neuronalen Aktivitäten insbesondere Informationsverarbeitungsprozessen bei der Vorstellung, Planung, Ausführung oder Steuerung einer Bewegung im Motorcortex des Gehirns entsprechen.Movement responsible brain areas, wherein the neural activities in particular information processing processes in the presentation, planning, execution or control of a movement in the motor cortex of the brain correspond.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei ein ermitteltes Signalmuster bei der Berechnung eines Bewegungsansteuerungssignals auf ein Nichtkorrektsignal hin unberücksichtig bleibt, wobei das Nicht- korrektsignal insbesondere einer festgelegten Standardbewegung entspricht.19. The method according to claim 14, wherein a detected signal pattern is disregarded in the calculation of a movement activation signal in response to a non-correct signal, wherein the non-correct signal corresponds in particular to a defined standard movement.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei ein ermitteltes Signalmuster bei der Berechnung eines Bewegungsansteuerungssignals auf ein Nichtkorrektsignal hin unberücksichtig bleibt, wobei das Nichtkorrektsignal einem natürlichen Fehlersignal des Gehirns entspricht.20. The method of claim 14, wherein a detected signal pattern is disregarded in calculating a motion drive signal in response to a non-corrective signal, the non-corrective signal corresponding to a natural error signal of the brain.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei das Vorhersagemodell Standardbewegungen als Interpolationspunkte bei der Zusammensetzung von Bewegungsansteuerungssignalen verwendet.21. The method of claim 14, wherein the prediction model uses standard movements as interpolation points in the composition of motion drive signals.
22. Verfahren zum Aufbau einer Datenbank mit Daten eines Vorhersagemodells zur Verwendung für eine Bewegungsansteuerung eines Effektors (6), der einem Lebewesen zugeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:22. A method of constructing a database of data of a predictive model for use in a motion control of an effector (6) associated with a subject, the method comprising the steps of:
Empfangen von Eingangssignalen, die repräsentativ für durch das Gehirn des Lebewesens erzeugte neuronale Aktivitäten mit Bezug zu trainierten Standardbewegungen des Lebewesens sind, Abspeichern der Einganssignale in der Datenbank als Trainingssignalmuster, undReceiving input signals representative of neural activities produced by the brain of the animal related to trained standard movements of the animal, Storing the input signals in the database as training signal patterns, and
Zuordnen von schrittweisen Bewegungsansteuerungssignalen zu den Trainingssignalmustern entsprechend den jeweiligen Standardbewegungen.Assigning stepwise motion drive signals to the training signal patterns according to the respective standard movements.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei in einem Training ein Durchlauf einer Standardbewegung des Lebewesens einen Trainingsschritt bildet und während jedes Trainingsschrittes Eingangssignale als Trainingssignalmuster aufgezeichnet werden.23. The method of claim 22, wherein in a training, a sweep of a standard movement of the animal forms a training step, and during each training step, input signals are recorded as a training signal pattern.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei ein Trainingsschritt ein Vorführen, Sich- Vorstellen und/oder Ausführen einer Standardbewegung umfasst.The method of claim 22 or 23, wherein a training step includes presenting, imagining, and / or performing a standard move.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei der Zustand des Lebewesens während jedes Trainingsschrittes kategorisiert und in der Datenbank gespeichert wird und der Zustand die Gewichtung der jeweiligen Trainingssignalmuster bei der Bestimmung des Vorhersagemodells beeinflusst, wobei der Zustand insbesondere Körperhaltung, Gesundheit,25. The method according to claim 22, wherein the state of the living being is categorized and stored in the database during each training step, and the state influences the weighting of the respective training signal patterns in the determination of the predictive model, the state in particular posture, health,
Aufmerksamkeit und/oder Müdigkeit umfasst.Attention and / or fatigue includes.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei eine Trainingsserie Standardbewegungen in verschiedenen Zuständen durchgeführt wird.26. The method according to any one of claims 22 to 25, wherein a training series standard movements in various states is performed.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei ein ermitteltes Signalmuster auf ein empfangenes Nichtkorrektsignal hin verworfen wird, ohne abgespeichert zu werden.27. The method according to any one of claims 22 to 26, wherein a detected signal pattern is discarded in response to a received non-correct signal, without being stored.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei ein abgespeichertes Trainingssignalmuster auf ein empfangenes Nichtkorrektsignal hin aus der Datenbank gelöscht wird.28. The method of claim 22, wherein a stored training signal pattern is responsive to a received non-correct signal out of Database is deleted.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 oder 28, wobei das Nichtkorrekt- signal repräsentativ für die neuronale Aktivität einer vorbestimmten Stan- dardbewegung oder eines natürlichen Fehlersignals ist.29. The method of claim 27, wherein the non-correct signal is representative of the neural activity of a predetermined standard motion or natural error signal.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 29, wobei die Eingangssignale elektromagnetische Eingangsignale neuronaler Populationsaktivität sind, insbesondere aus einer Lokale-Feldpotential-, Electrocorticographie- oder Elektroenzephalographie- Ableitung .30. The method of claim 13, wherein the input signals are electromagnetic input signals of neuronal population activity, in particular from a local field potential, electrocorticography or electroencephalography derivative.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 30, wobei das Vorhersagemodell die Standardbewegungen als Interpolationspunkte bei der Zusammensetzung neuer Bewegungsansteuerungssignale verwendet.The method of any one of claims 14 to 30, wherein the predictive model uses the standard motions as interpolation points in composing new motion drive signals.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 30, wobei die neuronale Aktivität, die einer Standardbewegung entspricht, in eine Repräsentation einer Frequenz- und Phasenmodulation der Zeit-Frequenz-aufgelösten Bänder der Eingangssignale umgerechnet wird.The method of any one of claims 14 to 30, wherein the neural activity corresponding to a standard motion is converted into a representation of a frequency and phase modulation of the time-frequency resolved bands of the input signals.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 32, wobei der anzusteuernde Effektor (6) eine Prothese, ein eigenes Körperteil des Lebewesens oder eine Datenverarbeitungsanlage ist.33. The method according to any one of claims 14 to 32, wherein the to be controlled effector (6) is a prosthesis, a separate part of the body or a data processing system.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 33, wobei die Bewegungsansteuerungssignale eine Zielvorgabe aufweisen, welche von dem Effektor (6) in eine Aktion oder Bewegung einschließlich nicht in den Ansteuerungssignalen enthaltener Zwischenzielvorgaben umgerechnet werden.The method of any one of claims 14 to 33, wherein the motion actuation signals comprise a target which is converted by the effector (6) into an action or movement including intermediate goals not included in the actuation signals.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 34, wobei das Vorhersagemodell lernfähig ist. 35. The method according to any one of claims 14 to 34, wherein the Predictive model is capable of learning.
PCT/EP2007/051360 2006-02-23 2007-02-12 Device and method for the real-time control of an effector WO2007096269A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07704536A EP1988965A1 (en) 2006-02-23 2007-02-12 Device and method for the real-time control of an effector
JP2008555746A JP2009531077A (en) 2006-02-23 2007-02-12 Apparatus and method for real time control of effectors

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006008495.0A DE102006008495B4 (en) 2006-02-23 2006-02-23 Device and method for real-time control of an effector
DE102006008495.0 2006-02-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007096269A1 true WO2007096269A1 (en) 2007-08-30

Family

ID=37945841

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/051360 WO2007096269A1 (en) 2006-02-23 2007-02-12 Device and method for the real-time control of an effector

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1988965A1 (en)
JP (1) JP2009531077A (en)
DE (1) DE102006008495B4 (en)
WO (1) WO2007096269A1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008101703A1 (en) * 2007-02-23 2008-08-28 Otto Bock Healthcare Products Gmbh Prosthesis with chargeable electric energy accumulator
WO2009000816A1 (en) * 2007-06-22 2008-12-31 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Method and device for computer-aided prediction of intended movements
JP2010257343A (en) * 2009-04-27 2010-11-11 Niigata Univ Intention transmission support system
JP2010541091A (en) * 2007-10-04 2010-12-24 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Improvements related to brain computer interface
JP2011502576A (en) * 2007-11-02 2011-01-27 ボストン サイエンティフィック ニューロモデュレイション コーポレイション Closed-loop feedback for manipulating stimulation energy in tissue
EP2968908A4 (en) * 2013-03-15 2017-04-12 Neurolutions, Inc. Brain-controlled body movement assistance devices and methods
US11534358B2 (en) 2019-10-11 2022-12-27 Neurolutions, Inc. Orthosis systems and rehabilitation of impaired body parts

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE602010000009D1 (en) 2009-04-28 2011-04-21 Sorin Crm Sas Inductive switching power supply with digital control for active implantable medical device
JP5467267B2 (en) * 2010-03-05 2014-04-09 国立大学法人大阪大学 DEVICE CONTROL DEVICE, DEVICE SYSTEM, DEVICE CONTROL METHOD, DEVICE CONTROL PROGRAM, AND RECORDING MEDIUM
DE102010043029A1 (en) * 2010-10-27 2012-05-03 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Selection circuit for an electrode assembly and method for operating and for producing an electrode assembly
DE102016100886B4 (en) 2016-01-20 2017-12-21 Trutz Podschun System for the regeneration of at least one severed nerve conduction

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6171239B1 (en) * 1998-08-17 2001-01-09 Emory University Systems, methods, and devices for controlling external devices by signals derived directly from the nervous system
US20030093129A1 (en) 2001-10-29 2003-05-15 Nicolelis Miguel A.L. Closed loop brain machine interface
US20050267597A1 (en) 2003-11-25 2005-12-01 Flaherty J Christopher Neural interface system with embedded id

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6609017B1 (en) * 1998-08-07 2003-08-19 California Institute Of Technology Processed neural signals and methods for generating and using them
US7120486B2 (en) * 2003-12-12 2006-10-10 Washington University Brain computer interface

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6171239B1 (en) * 1998-08-17 2001-01-09 Emory University Systems, methods, and devices for controlling external devices by signals derived directly from the nervous system
US20030093129A1 (en) 2001-10-29 2003-05-15 Nicolelis Miguel A.L. Closed loop brain machine interface
US20050267597A1 (en) 2003-11-25 2005-12-01 Flaherty J Christopher Neural interface system with embedded id

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LC PARRA, CD SPENCE, AD GERSON P SAJDA: "Response Error Correction - A Demonstration of Improved Human-Machine Performance Using Real-Time EEG Monitoring", IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING, vol. 11, no. 2, June 2003 (2003-06-01), pages 173 - 177, XP002432478 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008101703A1 (en) * 2007-02-23 2008-08-28 Otto Bock Healthcare Products Gmbh Prosthesis with chargeable electric energy accumulator
WO2009000816A1 (en) * 2007-06-22 2008-12-31 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Method and device for computer-aided prediction of intended movements
US8433663B2 (en) 2007-06-22 2013-04-30 Cortec Gmbh Method and device for computer-aided prediction of intended movements
JP2010541091A (en) * 2007-10-04 2010-12-24 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Improvements related to brain computer interface
US8862219B2 (en) 2007-10-04 2014-10-14 Koninklijke Philips N.V. Relating to brain computer interfaces
JP2011502576A (en) * 2007-11-02 2011-01-27 ボストン サイエンティフィック ニューロモデュレイション コーポレイション Closed-loop feedback for manipulating stimulation energy in tissue
JP2010257343A (en) * 2009-04-27 2010-11-11 Niigata Univ Intention transmission support system
EP2968908A4 (en) * 2013-03-15 2017-04-12 Neurolutions, Inc. Brain-controlled body movement assistance devices and methods
US10405764B2 (en) 2013-03-15 2019-09-10 Neurolutions, Inc. Brain-controlled body movement assistance devices and methods
US11534358B2 (en) 2019-10-11 2022-12-27 Neurolutions, Inc. Orthosis systems and rehabilitation of impaired body parts
US11690774B2 (en) 2019-10-11 2023-07-04 Neurolutions, Inc. Orthosis systems and rehabilitation of impaired body parts

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009531077A (en) 2009-09-03
DE102006008495A1 (en) 2007-09-06
EP1988965A1 (en) 2008-11-12
DE102006008495B4 (en) 2018-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006008495B4 (en) Device and method for real-time control of an effector
EP1988828B1 (en) Probe for data transmission between a brain and a data processing device
EP2389859B1 (en) BCI device for use in stroke rehabilitation
Nicolelis Actions from thoughts
Fifer et al. Simultaneous neural control of simple reaching and grasping with the modular prosthetic limb using intracranial EEG
EP2797667B1 (en) Apparatus for calibrating non-invasive desynchronizing neurostimulation
DE102019202666B4 (en) Neural communication system
EP0969896B1 (en) Adaptive senso-motor encoder for neuroprostheses
EP2887861A1 (en) Device and method for examining a phase distribution used to determine a pathological interaction between different areas of the brain
DE102019209096B4 (en) NEURAL SIGNALING SYSTEM FOR BEHAVIOR MODIFICATION
EP3215007B1 (en) Device for calibrating a non-invasive mechanically tactile and/or thermal neurostimulation
DE102009025313A1 (en) Outer ear musculature detection means
DE102019214752B4 (en) NEURAL SIGNALING SYSTEM, METHOD AND COMPUTER PROGRAM FOR SIGNALING A DEVICE CONDITION
DE102016100886B4 (en) System for the regeneration of at least one severed nerve conduction
DE102020210676A1 (en) CLOSED-LOOP COMPUTER-BRAIN INTERFACE DEVICE
DE10294019B4 (en) Neurostimulator and data transmission method
DE102015119741A1 (en) Device for individually feedback regulation of muscle and / or tendon oscillations of a human and / or animal user and method for recording, analyzing and transmitting such oscillations
Lebedev et al. Bidirectional neural interfaces
Walter et al. BCCI-a bidirectional cortical communication interface
Fernandez-Hidalgo Design and simulation of a brainwave controlled neuroprosthesis
Young Restoring Thought-Controlled Movements After Paralysis: Developing Brain Computer Interfaces For Control Of Reaching Using Functional Electrical Stimulation
WO2019229588A1 (en) Training device for stimulating nerve cell ends in a training manner, and a corresponding prosthesis
Gonzalez A Study into the Peripheral Nervous System to Control a Prosthetic Hand
Warwick et al. Therapeutic potential of computer to cerebral cortex implantable devices
Krüger Investigation of electrodes as bidirectional human machine interface for neuro-technical control of prostheses

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008555746

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007704536

Country of ref document: EP