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Das EU-Forschungsprojekt EMBRACE der Technischen Universität Ilmenau wurde für den Europäischen Exzellenzpreis nominiert. In dem medizintechnischen Projekt entwickelte ein interdisziplinäres Team aus Forschung und Industrie erstmals eine neuartige Methode zur gleichzeitigen Überwachung des menschlichen Gehirns und physiologischer und neurologischer Prozesse von zwei oder mehreren Personen, die miteinander agieren, zum Beispiel Tischtennis spielen. Auf diese Weise ist es nun möglich, das soziale Verhalten von Menschen, die miteinander handeln, in seiner Entwicklung zu erforschen. Das Projekt wurde im Rahmen des EU-Förderprogramm HORIZON Europe mit 818.800 Euro für vier Jahre unterstützt.
Die gleichzeitige Messung in Echtzeit von zehn unabhängigen Körpersignalen von Menschen, die miteinander interagieren, gelang dem EMBRACE-Team wohl weltweit zum ersten Mal. Bisherige Verfahren zur Messung der Gehirnaktivität mithilfe von EEG und gleichzeitig weiterer Körpersignale hatten den großen Nachteil, dass immer nur Prozesse von einzelnen Probanden analysiert werden konnten – Hirnaktivitäten, die sich erst dadurch abspielten, dass Menschen miteinander interagierten, blieben unerforscht. Das neuartige medizintechnische Verfahren der multimodalen Analyse des Gehirns wird es nun ermöglichen, ein tiefes Verständnis auch für jene Prozesse zu erlangen, die sich in Menschen abspielen, die miteinander Handeln.
Drahtlose Synchronisierung unabhängiger Systeme erstmals gelungen
Bis zu diesem Forschungserfolg war es für das Team um Prof. Jens Haueisen, EMBRACE-Projektleiter an der TU Ilmenau und Leiter des Instituts für Biomedizinische Technik und Informatik an der Thüringer Universität, ein weiter Weg. Das hochgradig interdisziplinäre Team – Biomedizintechniker, Informatiker, Neurowissenschaftler und Psychologen, ebenso aus der Forschung wie aus der Industrie – entwickelte ein System, das es erlaubt, gleichzeitig und in Echtzeit drei verschiedene Signalgruppen von Probanden aufzuzeichnen, die körperlich interagierten, zum Beispiel Tischtennis spielen oder miteinander tanzen: die neuronalen, also nervenbezogenen Signale; die physiologischen Reaktionen, also jene, die die biologischen Prozesse im Körper abbilden; und die kinematischen Signale, die Körperbewegungen betreffen. Insgesamt zeichneten die Forscher zehn Signale synchron und in Echtzeit auf: von Gehirn, Herz, Lunge, Muskulatur und Körperbewegungen. Die Synchronisierung all dieser Signale war für die Forschung essenziell, nicht nur, um aussagekräftige multimodale Daten zu gewinnen, sondern auch, damit diese aus verschiedenen Quellen stammenden Daten anschließend zuverlässig analysiert werden konnten.
Dazu synchronisierten die Forscherinnen und Forscher unabhängige Systeme verschiedener Hersteller, und zwar drahtlos – wichtig, um die Analysen an Menschen, die sich zum Beispiel bei sportlichen Aktivitäten bewegen, überhaupt durchführen zu können. Mit einer einfach klingenden Strategie reduzierten sie die Anzahl der zu synchronisierenden Geräte – sie gruppierten sie in einzelnen zwischengeschalteten Geräten: Die EEG-Haube zur Erfassung der Gehirnströme, die EKG-Elektroden für die Überwachung des Herzens und der Atemgurt jedes Probanden wurden drahtlos mit demselben mobilen EEG-Aufzeichnungsgerät eines jeden Probanden verbunden, während die EMG-Sensoren, die die elektrische Aktivität der Muskeln messen, und Bewegungsmarker der Probanden mit einem stationären Bewegungserfassungssystem für alle Probanden verbunden wurden. Anschließend entwickelten die Forscher ein System, mit dem sie die mobilen und stationären Gerätegruppen synchronisierten.
Software-Tools zur multimodalen Datenfusion und -analyse
Ebenso wichtig für die neue Analysemethode: die selbst entwickelten Software-Tools zur multimodalen Datenfusion und -analyse, die es ermöglichen, die komplexen Signale im Zuge eines einzigen interaktiven Prozesses zu interpretieren. Dazu gehören insbesondere neue Verfahren zur Verringerung sogenannter Bewegungsartefakte, also von Störungen oder Veränderungen in den aufgenommenen Signalen, die durch Bewegungen der Probanden während der Aufnahme verursacht werden. Auch entwickelten die Wissenschaftler Verfahren zur Analyse der funktionellen Konnektivität der Gehirne der Probanden, die Aussagen über die Synchronizität der Gehirnaktivität während deren Interaktion erlauben.
Innovative Flower-Elektroden zur flexiblen langzeitigen EEG-Überwachung
Die multimodalen Messungen zur EEG-Überwachung der Gehirnströme waren nur möglich mit an der TU Ilmenau eigens entwickelten Trockenelektroden, also solchen Elektroden, die Gehirnströme ohne leitendes Gel messen. Herkömmliche Trockenelektroden konnten nicht verwendet werden, weil bei solch langen Messungen wie denen in der EMBRACE-Forschung – sie dauerten zwei, manchmal sogar drei Stunden lang – der Tragekomfort für die Probanden gelitten hätte. Durch deren Bewegungen zum Beispiel beim Tischtennis spielen hätte sich nicht nur der Druck der Elektrodenhaube auf dem Kopf unangenehm verstärkt, sie wären dadurch auch während der sportlichen Interaktion abgelenkt worden, was eine schlechte Signalqualität zur Folge gehabt hätte.
Die neuen Trockenelektroden nannten die Forscher wegen ihrer besonderen Form Flower-Elektroden: Die Pins, also die Kontaktstellen zur Kopfhaut, sind räumlich so angeordnet wie die Blütenblätter einer Blume. Diese Form ermöglicht es, die Flexibilität des Materials, das auf dem Kopf des Probanden aufliegt, optimal zu nutzen, und zudem erhöht das blütenförmige Design für die Personen, die die EEG-Haube während der Langzeitmessungen tragen, auch den Komfort.
Nicht nur die Form der Flower-Elektroden ist neu, auch die Form der drei bis acht Millimeter langen Stifte, die durch das Haar bis zur Kopfhaut vordringen, um einen elektrischen Kontakt herzustellen, ist nun geneigt. Neu auch Stiftwinkel, Stiftflexibilität und Stiftanordnung auf der flexiblen Grundscheibe. So können sich die Stifte beim Kontakt mit dem Kopf biegen, um die Kontaktfläche zwischen Elektrode und Haut zu vergrößern. Die Folge: eine bessere Qualität des Signals. Die besondere Form der Pins und ihre verschlungene Anordnung ermöglichen es nicht nur, die EEG-Haube an individuelle Kopfformen anzupassen, für die Probanden erhöht dies abermals den Komfort, da so übermäßiger Druck beim Anbringen und Tragen der Haube ausgeglichen wird.
Wichtig auch: das Substratmaterial der Flower-Elektroden Polyurethan. Mit einer selbst entwickelten leitfähigen Schicht versehen, ermöglicht das Material eine freie und flexible Formgebung. Das spezielle chemische Beschichtungsverfahren reduziert zudem den mechanischen Verschleiß der Elektroden und erhöht damit deren Haltbarkeit.
EMBRACE-Projekt stößt Tür zu tiefgehender Erforschung menschlicher Interaktionen auf
Ein solch komplexes multimodales System, das medizintechnische Geräte verschiedener Hersteller – die typischerweise unterschiedliche Standards verwenden – synchronisiert, wurde wahrscheinlich weltweit erstmals realisiert. Die neuen Tools werden aber nicht nur vom EMBRACE-Team verwendet: Online frei verfügbar, können sie nun auch von anderen Forschungsgruppen zur Analyse ihrer Daten genutzt werden. So eröffnet das erfolgreich abgeschlossene EMBRACE-Projekt nun anderen Forschungsfeldern ganz neue Möglichkeiten, etwa der sozialen Neurowissenschaft, die die biologischen Grundlagen des menschlichen Sozialverhaltens erforscht, oder der Sport-Neurowissenschaft, die die Wechselwirkungen zwischen körperlicher Aktivität, sportlicher Leistung und dem zentralen Nervensystem erforscht. Mit einer solchen neuen Gehirn-Computer-Schnittstelle ist es nun aber auch möglich, jede „normale“ EEG-Analyse, die außerhalb eines Labors durchgeführt wird, neu zu definieren.
Prof. Jens Haueisen ist überzeugt, dass die EMBRACE-Ergebnisse die Tür zu umfassenden Untersuchungen menschlicher Interaktionen aufgestoßen haben: „Gehirnaktivität und das Zusammenspiel von Gehirn- und Körperaktivität im Kontext der Interaktion mehrerer Personen zu verstehen, das ist für die Medizintechnik eine der großen Herausforderungen unserer Zeit. Unsere Technologie hilft, dem ein Stück näher zu kommen.“
EMBRACE-Projekt für Europäischen Exzellenzpreis nominiert
Das EU-Projekt EMBRACE der Technischen Universität Ilmenau wurde nun für den Europäischen Exzellenzpreis nominiert. Natürlich würde es Professor Haueisen, auch Mitglied der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften, die Politik und Gesellschaft in technikwissenschaftlichen und technologiepolitischen Zukunftsfragen berät, freuen, wenn sein Team den Europäischen Exzellenzpreis zuerkannt bekäme. Die größte Genugtuung hatte er aber bereits während seiner vierjährigen Forschungsarbeiten: „Für Menschen aus Disziplinen, die so weit voneinander entfernt sind, wie unsere Teammitglieder, ist es nicht immer einfach, eine gemeinsame Sprache zu finden. Wir haben sie gefunden! Es war wundervoll zu sehen, mit welch positiver Herangehensweise alle an einem Strang gezogen und EMBRACE so zum Erfolg geführt haben. Darauf bin ich besonders stolz.“
Die Forschungseinrichtungen, die so eng zusammengearbeitet haben, kommen aus drei verschiedenen Ländern: Die TU Ilmenau und das Medizintechnik-Unternehmen eemagine Medical Imaging Solutions GmbH aus Deutschland, die Università degli Studi Gabriele d’Annunzio di Chieti-Pescara und die BTS Bioengineering, die auf die Bewegungsanalyse in der Medizin und im Sport spezialisiert ist, aus Italien, und die Universidad Complutense de Madrid und das auf kognitive Neurowissenschaften spezialisierte BRAINVESTIGATIONS SL aus Spanien. Hochgradige Interdisziplinarität, und das auch noch über Nationengrenzen hinweg – es wäre ein wahrhaft europäischer Preis für das EMBRACE-Team.
Prof. Jens Haueisen
Leiter Institut für Biomedizinische Technik und Informatik
+49 3677 69-2861
jens.haueisen@tu-ilmenau.de
Die neuen Trockenelektroden nannten die Forscher wegen ihrer besonderen Form Flower-Elektroden: Die ...
Quelle: Jens Haueisen
Copyright: TU Ilmenau
Prof. Jens Haueisen Leiter Institut für Biomedizinische Technik und Informatik TU Ilmenau
Copyright: privat
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wissenschaftler, jedermann
Biologie, Elektrotechnik, Informationstechnik, Medizin, Sportwissenschaft
überregional
Forschungsergebnisse, Forschungsprojekte
Deutsch
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