WO2010142409A1 - Method and device for monitoring the brain activity of a person - Google Patents
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- WO2010142409A1 WO2010142409A1 PCT/EP2010/003413 EP2010003413W WO2010142409A1 WO 2010142409 A1 WO2010142409 A1 WO 2010142409A1 EP 2010003413 W EP2010003413 W EP 2010003413W WO 2010142409 A1 WO2010142409 A1 WO 2010142409A1
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- A61B5/0006—ECG or EEG signals
Definitions
- the invention relates to a method and a device for monitoring the brain activity of a human, in particular for the purpose of increasing safety in industrial plants.
- BMI brain-machine interfaces
- human-machine interfaces brain-computer interfaces or sometimes as brain-machine interfaces.
- brain-machine interfaces Numerous proposals for the use of brain signals for the control of technical devices can be found in this literature, mainly in the field of brain-actuated technology or brain-operated technologies, neuropathies and neurorobots.
- Brain-machine interfaces work with acquisition and processing of brain signals in real time, for the purpose of using the information obtained to control a technical device. Especially for medical applications, such possibilities are examined, for example, to use neuronal signals of a human with an intact motor cortex for real-time control of a prosthetic robotic arm (see: Velliste M, Perel S, Spalding MC, Whitford AS, Schwartz AB: Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding, Nature 2008 Jun 19; 453 (7198): 1098-101).
- the main challenge for brain-machine interfaces is the interpretation of complex brain activity patterns to associate with a particular action or process.
- NIRS near infrared spectroscopy
- MEG Magnetoencephalography
- fMRI Functional magnetic resonance imaging
- EEG electroencephalography
- EEG brainwave measurement
- EEG signal is an extracellular current caused by cerebral electrical activity.
- cerebral current recordings In general, EEG signals are suitable for use in brain-machine interfaces (BMIs) (see: Wolpaw JR, Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM) in large areas of the cerebral cortex Brain-computer interfaces for communication and control, Clinical Neurophysiol 2002 Jun; 113 (6): 767-91).
- scalp-detected brainwaves can be used as part of the development of a mobile device to detect alertness or alertness (see: Ben Califa K: Portable Device for Alertness Detection.) Annual Annual IEEEEMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine & Biology 2000: 584-6).
- WO 2006/096096135 A1 discloses a method for detecting mental fatigue by monitoring brain activity.
- DE 197 02 748 A1 describes a method for monitoring the condition of a vehicle driver by brainwave measurement and possibly also observation of head posture, musculature or respiration.
- US 20070010754 A1 proposes a method for measuring the brainwave flow of at least one vehicle occupant, preferably the driver, in order to detect the intention and, if appropriate, to influence the state of the vehicle.
- the invention has the object to provide a method and a device to detect a change of human brain activity as a result of particular significant anxiety, extreme attention or panic. Signals thus formed can be used in particular to increase the safety of industrial equipment or systems.
- the detected signals are processed by means of a portable, wearable device and analyzed and interpreted and then transmitted by telemetry to an interface device, influenced by a technical process, for example, can be turned off, or the detected signals are first transmitted to a receiving device , then processed and analyzed and interpreted, and then transmitted by telemetry to an interface device from which a technical process can be influenced, for example disconnected.
- the basic process steps are identical, only the order or sequence is different.
- the invention relates to a method for monitoring the brain activity of a person and / or formation of at least one signal for acting on a technical device in the event of a mental state of emergency, in particular a considerable state of anxiety and / or extreme attention and / or panic, at least one person, in which
- Brain activities are recorded, in particular using a non-invasive or minimally invasive electrophysiological method
- the transmitted brain activity signals in particular by means of real-time processing, are processed, analyzed and classified in terms of cha characteristic brain activity pattern for the detection of mental states of emergency, such as in particular unusual stress and / or anxiety and / or panic, the signal supplying each person, in both cases the results of this signal analysis are forwarded by the receiving device via an interface device to a device or a system, to cause, if necessary, a change of state of such a device as a security measure or information for the respective person,
- the invention comprises a device for monitoring the brain activity of a person and / or forming at least one signal for acting on a technical device in the case of a mental state of emergency, in particular a considerable state of anxiety and / or extreme attention and / or panic, at least one person, in which
- An interface device (10) is present, by means of which the results are forwarded to a device or a system to cause, if necessary, a change in state of such a technical device.
- the invention is based on the consideration that in the human brain, a preprocessing of a variety of data takes place through the use of the Total cost of implementing a monitoring device to increase the safety of operating personnel can be kept relatively low.
- Human sensory organs such as eyes, ears, nose and skin respond to a variety of environmental influences. Signals are directed to the brain and processed there, with filtering and prioritizing based on experience and instinct. Even merely instinctive perceptions can lead to anxiety, panic, or stressful alertness, generally causing a changed neuronal condition resulting in increased brain activity.
- the invention proposes to use precisely this increased brain activity to detect or recognize dangerous situations by detecting the increased brain activity by using a noninvasive or minimally invasive electrophysiological method, preferably by using multichannel EEG.
- the detected brain activity can be further interpreted and finally used to control technical facilities. Because of the fast reaction thus enabled, the safety of the person supplying the BMI EEG signals or other persons in the environment can be increased significantly.
- a worker cooperating with a robot could be protected against injuries / hazards by the machine, for example in the case of occurring stress due to misconduct of the robot and / or a person and / or a dangerous situation and / or physical complaints, for example due to heart attack or stroke or fall if, due to the detected With respect to signals directly and / or automatically a shutdown and / or a stop of the respective robot is effected.
- the individual person could be used in itself, for example, in a chemical production plant as a kind of additional sensor for supposedly dangerous plant states, which could ultimately lead to a shutdown of the respective system.
- Fig. 1 shows schematically required components of the embodiment and the associated exemplary process flow.
- Reference numeral 11 designates the components to be worn on a human body.
- a non-invasive electrophysiological method for example by means of the device 2 operating according to the multichannel or multi-channel EEG method, brain activities 1 of the human are recorded.
- the human brain acts as a collection point for a variety of sensor signals of the human body. Both rationally planned, as well as instinctive decisions, as well as reactions are processed in the brain and lead in certain situations to an increased neural activity.
- 3 denoted by 3 in FIG.
- the acquired measuring signals are supplied to a signal conditioning unit 4 as well as to a sophisticated real-time processing unit 5, which analyzes and classifies according to characteristic activity patterns in order to detect an unusual stress situation, anxiety or panic from the object that the human being observes is triggered and leads to the detected measurement signals.
- Analysis results are wireless, see reference numeral 7, by means of a transmitting device 6, z.
- B. a real-time telemetry transmitter and an associated tele-metry receiver 8 or a gateway, and transmitted with transmission means 9 to a device or a technical system 10, for example, a guide or a robot controller.
- the proposed method or device for detecting certain brain activities can significantly increase safety in industrial plants, eg. In connection with factory or process automation equipment. Real-time acquisition of neurophysiological signals can significantly contribute to controlling critical functions and conditions of technical installations, for example by emergency shutdown. This also works if a person who is equipped with the monitoring device according to the invention is not directly aware of a danger, or is unable to react adequately or quickly enough.
Abstract
The invention relates to a method and a corresponding device for monitoring the brain activity of a person and/or forming at least one signal for affecting a technical device in case of an exceptional psychic state, such as a state of extreme fear, extreme alertness, or panic of at least one person, wherein brain activity is detected, particularly using a non-invasive electrophysiological method, detected signals are processed, analyzed, and classified with regard to characteristic brain activity patterns for detecting exceptional psychic states, such as unusual stress, fear, or panic of the persons providing each signal, and the results of said signal analysis are transmitted to a receiving device by means of telemetry. Alternatively, the detected brain activities are first also transmitted to a receiving device, wherein the transmitted brain activity signals are then processed, analyzed, and classified. The results are forwarded by the receiving device to a device or system by means of an interface device, in order to optionally initiate a change in state of such a device.
Description
Verfahren und Einrichtung zur Überwachung der Hirnaktivität eines Menschen Method and device for monitoring the brain activity of a human
Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung der Hirnaktivität eines Menschen, insbesondere zum Zweck der Erhöhung der Sicherheit in Industrieanlagen.The invention relates to a method and a device for monitoring the brain activity of a human, in particular for the purpose of increasing safety in industrial plants.
In den letzten Jahren sind zahlreiche Veröffentlichungen zu brain-machine interfaces (BMI) erschienen, die auch als Mensch-Maschine-Schnittstellen, Gehirn-Computer- Schnittstellen oder manchmal als Hirn-Maschine-Schnittstellen bezeichnet werden. Dieser Literatur sind vielfältige Vorschläge zur Nutzung von Gehirnsignalen zur Steuerung technischer Einrichtungen zu entnehmen, hauptsächlich auf dem Gebiet der brain-actuated technology oder Gehim-betätigten Technologien, der Neuropro- thesen und Neuroroboter.In recent years, numerous publications have appeared on brain-machine interfaces (BMI), which are also referred to as human-machine interfaces, brain-computer interfaces or sometimes as brain-machine interfaces. Numerous proposals for the use of brain signals for the control of technical devices can be found in this literature, mainly in the field of brain-actuated technology or brain-operated technologies, neuropathies and neurorobots.
Brain-machine interfaces arbeiten mit einer Erfassung und Verarbeitung von Gehirnsignalen in Echtzeit, zum Zweck der Nutzung der ermittelten Information zur Steuerung einer technischen Einrichtung. Insbesondere für medizinische Anwendungen werden solche Möglichkeiten untersucht, beispielsweise um neuronale Signale eines Menschen mit intaktem Motorkortex zur Echtzeit-Steuerung eines prothetischen Roboterarms zu nutzen (vergl.: Velliste M, Perel S, Spalding MC, Whitford AS, Schwartz AB: Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature 2008 Jun 19;453(7198):1098-101). Neben Hilfen zur Wiedererlangung von motorischen Funktionen eines Menschen sind auch andere klinische Anwendungen von Interesse, wie
beispielsweise zur Diagnose und Behandlung epileptischer Anfälle (vergl.: Nicoleiis MA: Actions from thoughts. Nature 2001 Jan 18;409(6818):403-7).Brain-machine interfaces work with acquisition and processing of brain signals in real time, for the purpose of using the information obtained to control a technical device. Especially for medical applications, such possibilities are examined, for example, to use neuronal signals of a human with an intact motor cortex for real-time control of a prosthetic robotic arm (see: Velliste M, Perel S, Spalding MC, Whitford AS, Schwartz AB: Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding, Nature 2008 Jun 19; 453 (7198): 1098-101). In addition to aids for the recovery of motor functions of a human, other clinical applications are also of interest, such as for example, for the diagnosis and treatment of epileptic seizures (see: Nicoleiis MA: Actions from thoughts, Nature 2001 Jan 18; 409 (6818): 403-7).
Die hauptsächliche Herausforderung für brain-machine interfaces ist die Interpretation komplexer Gehirnaktivitäts-Muster, um sie einer bestimmten Aktion oder einem Prozess zuzuordnen. Dazu ist ein fundamentales Verständnis der Prinzipien erforderlich, nach denen neuronale Gebilde sensorische, motorische und kognitive Information entschlüsseln, um komplexe Steuerungen technischer Einrichtungen zu ermöglichen. Bisher wird diese Aufgabe meistens durch intrakraniale Messungen, also durch Messungen im Schädelinneren mittels einer Anordnung chirurgisch implantierter Mikroelektroden gelöst (vergl.: Nicoleiis MA, Ghazanfar AA, Stambaugh CR, ON- veira LM, Laubach M, Chapin JK, Nelson RJ, Kaas JH: Simultaneous encoding of tactile information by three primate cortical areas. Nature Neurosci. 1998 Nov;1(7):621-30). Damit ist eine simultane Erfassung extrazellularer Aktivitäten von Anordnungen individueller Neuronen möglich, verteilt über mehrere Gehirnstrukturen.The main challenge for brain-machine interfaces is the interpretation of complex brain activity patterns to associate with a particular action or process. This requires a fundamental understanding of the principles by which neuronal entities decode sensory, motor, and cognitive information to enable complex control of technical devices. So far, this task is usually solved by intracranial measurements, ie measurements inside the skull by means of an array of surgically implanted microelectrodes (see: Nicoleiis MA, Ghazanfar AA, Stambaugh CR, ONveira LM, Laubach M, Chapin JK, Nelson RJ, Kaas JH : Simultaneous encoding of tactile information by three primate cortical areas, Nature Neurosci., 1998 Nov; 1 (7): 621-30). This allows simultaneous detection of extracellular activities of individual neuron arrays distributed over multiple brain structures.
Nichtinvasive Erfassung menschlicher Neuronenaktivität ist jedoch auch eine potentielle Möglichkeit zur Realisierung von brain-machine interfaces. Eine Reihe unterschiedlicher metabolischer, optischer und elektro-physikalischer Methoden ist bereits untersucht worden. Mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS, near infrared spectros- copy) können Änderungen von Hämoglobinkonzentrationen im Blut durch einen intakten Schädel hindurch detektiert werden, mittels Magnetoencephalographie (MEG) können magnetische Felder gemessen werden, die im Gehirn durch neuro- elektrische Aktivitäten erzeugt werden. Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI, functional magnetic resonance imaging) ermöglicht die Messung der hämody- namischen Reaktion auf neuronale Aktivitäten des Gehirns.However, noninvasive detection of human neuronal activity is also a potential way to realize brain-machine interfaces. A number of different metabolic, optical and electro-physical methods have been studied. By means of near infrared spectroscopy (NIRS, near infrared spectroscopy), changes in hemoglobin concentrations in the blood can be detected through an intact skull. Magnetoencephalography (MEG) can be used to measure magnetic fields generated in the brain by neuroelectric activities. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) enables the measurement of the haemodynamic response to neural activities of the brain.
Obwohl alle diese Techniken grundsätzlich nichtinvasiv sind, sind sie für einen portablen Einsatz ungeeignet, und der technische Aufwand ist groß. Wohingegen mittels Elektroenzephalographie (scalp electroencephalography, EEG, Hirnstrommessung) durch neuronale Stimulation hervorgerufene elektrische Aktivität mit ziemlich kompakten Geräten außerhalb des menschlichen Kopfes gemessen werden kann. Das EEG-Signal ist ein extrazellulärer Strom, der durch zerebrale elektrische Aktivität hervorgerufen wird. Obwohl solche Hirnstromaufzeichnungen das Durchschnittsver-
halten einer großen Anzahl von Neuronen in weit verteilten Gebieten der Hirnrinde wiedergeben, sind EEG-Signale grundsätzlich zur Nutzung für brain-machine inter- faces (BMIs) geeignet (vergl.: Wolpaw JR, Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM: Brain-computer interfaces for communication and control. Clinlcal Neurophysiol. 2002 Jun;113(6):767-91). Beispielsweise können an der Kopfhaut er- fasste Hirnströme im Rahmen der Entwicklung einer mobilen Einrichtung zum Erkennen von Wachheit oder Aufmerksamkeit genutzt werden (vergl.: Ben Califa K: A portable device for alertness detection. Ist Annual International IEEEEMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine & Biology 2000:584-6).Although all these techniques are basically non-invasive, they are unsuitable for portable use, and the technical complexity is great. Whereas, by means of electroencephalography (scalp electroencephalography, EEG, brainwave measurement), electrical activity evoked by neuronal stimulation can be measured with fairly compact devices outside the human head. The EEG signal is an extracellular current caused by cerebral electrical activity. Although such cerebral current recordings In general, EEG signals are suitable for use in brain-machine interfaces (BMIs) (see: Wolpaw JR, Birbaumer N, McFarland DJ, Pfurtscheller G, Vaughan TM) in large areas of the cerebral cortex Brain-computer interfaces for communication and control, Clinical Neurophysiol 2002 Jun; 113 (6): 767-91). For example, scalp-detected brainwaves can be used as part of the development of a mobile device to detect alertness or alertness (see: Ben Califa K: Portable Device for Alertness Detection.) Annual Annual IEEEEMBS Special Topic Conference on Microtechnologies in Medicine & Biology 2000: 584-6).
Eine Reihe von Patentanmeldungen sind bekannt, die sich im Hinblick auf Sicherheitsaspekte mit der Messung der Wachsamkeit von Menschen befassen. Aus WO 2006/096096135 A1 ist eine Methode zur Erkennung einer geistigen Ermüdung durch Überwachung von Hirnaktivitäten bekannt. DE 197 02 748 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen des Zustandes eines Fahrzeugführers durch Hirnstrommessung und gegebenenfalls auch Beobachtung von Kopfhaltung, Muskulatur oder Atmung. In US 20070010754 A1 wird ein Verfahren zur Hirnstrommessung wenigstens eines Fahrzeuginsassen, vorzugsweise des Fahrers vorgeschlagen, um die Intention zu erfassen und gegebenenfalls auf den Zustand des Fahrzeugs einzuwirken.A number of patent applications are known which, with regard to safety aspects, deal with the measurement of the alertness of humans. WO 2006/096096135 A1 discloses a method for detecting mental fatigue by monitoring brain activity. DE 197 02 748 A1 describes a method for monitoring the condition of a vehicle driver by brainwave measurement and possibly also observation of head posture, musculature or respiration. US 20070010754 A1 proposes a method for measuring the brainwave flow of at least one vehicle occupant, preferably the driver, in order to detect the intention and, if appropriate, to influence the state of the vehicle.
Ausgehend vom dargelegten Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, um eine Änderung von menschlichen Hirnaktivitäten als Folge insbesondere erheblicher Angst, extremer Aufmerksamkeit oder Panik zu detektieren. Damit gebildete Signale können insbesondere zur Erhöhung der Sicherheit bei industriellen Geräten oder Anlagen genutzt werden.Based on the stated prior art, the invention has the object to provide a method and a device to detect a change of human brain activity as a result of particular significant anxiety, extreme attention or panic. Signals thus formed can be used in particular to increase the safety of industrial equipment or systems.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung der Hirnaktivität eines Menschen und/oder Bildung wenigstens eines Signals zur Einwirkung auf eine technische Einrichtung im Falle eines psychischen Ausnahmezustandes eines Menschen, wie insbesondere erheblicher Angst, extremer Aufmerksamkeit oder Panik eines Menschen, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und eine entsprechende Einrichtung sind in weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Mit der Erfindung wird demnach vorgeschlagen, nichtinvasiv, also außen am Kopf eines Menschen mittels Elektroden Signale zu erfassen, die durch erhöhte Hirnaktivität verursacht sind. Die erfassten Signale werden mittels einer portablen, am Körper tragbaren Einrichtung verarbeitet und analysiert und interpretiert und daraufhin mittels Telemetrie zu einer Schnittstelleneinrichtung übertragen, von der aus ein technischer Prozess beeinflusst, beispielsweise abgeschaltet werden kann, oder aber die erfassten Signale werden zunächst an eine Empfangseinrichtung übertragen, dann verarbeitet und analysiert und interpretiert und daraufhin mittels Telemetrie zu einer Schnittstelleneinrichtung übertragen, von der aus ein technischer Prozess beeinflusst, beispielsweise abgeschaltet werden kann. Die grundlegenden Verfahrensschritte sind dabei identisch, lediglich die Reihenfolge beziehungsweise Abfolge unterscheidet sich.This object is achieved by a method for monitoring the brain activity of a person and / or formation of at least one signal for acting on a technical device in the case of a mental state of emergency of a person, in particular considerable anxiety, extreme attention or panic of a person, the claim 1 features indicated. Advantageous embodiments and a corresponding device are specified in further claims and the following description. With the invention it is therefore proposed to detect signals which are caused by increased brain activity by means of electrodes, non-invasively, ie outside the head of a person. The detected signals are processed by means of a portable, wearable device and analyzed and interpreted and then transmitted by telemetry to an interface device, influenced by a technical process, for example, can be turned off, or the detected signals are first transmitted to a receiving device , then processed and analyzed and interpreted, and then transmitted by telemetry to an interface device from which a technical process can be influenced, for example disconnected. The basic process steps are identical, only the order or sequence is different.
Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der Hirnaktivität eines Menschen und/oder Bildung wenigstens eines Signals zur Einwirkung auf eine technische Einrichtung im Falle eines psychischen Ausnahmezustandes, wie insbesondere eines erheblichen Angstzustandes und/oder extremer Aufmerksamkeit und/oder Panik, wenigstens eines Menschen, bei welchemAccordingly, the invention relates to a method for monitoring the brain activity of a person and / or formation of at least one signal for acting on a technical device in the event of a mental state of emergency, in particular a considerable state of anxiety and / or extreme attention and / or panic, at least one person, in which
- Hirnaktivitäten erfasst werden, insbesondere unter Anwendung einer nichtinvasiven oder minimal-invasiven elektrophysiologischen Methode,Brain activities are recorded, in particular using a non-invasive or minimally invasive electrophysiological method,
- derart in Signalform erfasste Hirnaktivitäten, insbesondere mittels Echtzeitverarbeitung, aufbereitet, analysiert und klassifiziert werden hinsichtlich charakteristischer Hirnaktivitätsmuster zur Erkennung von psychischen Ausnahmezuständen, wie insbesondere ungewöhnlichem Stress und/oder Angst und/oder oder Panik, des jeweils signalliefernden Menschen,brain activity recorded in such a way in waveform, in particular by means of real-time processing, prepared, analyzed and classified with regard to characteristic brain activity patterns for the recognition of mental states of emergency, in particular unusual stress and / or anxiety and / or panic, of the respective signal-producing person,
- Ergebnisse dieser Signalanalyse mittels Messwertfernübertragung zu einer Empfangseinrichtung übertragen werden, sowie alternativ ein Verfahren, bei welchem- Results of this signal analysis by means of measured value transmission are transmitted to a receiving device, and alternatively a method in which
- in Signalform erfasste Hirnaktivitäten zunächst mittels Messwertfernübertragung zu einer Empfangseinrichtung übertragen werden und dann- recorded in waveform brain activities are first transmitted by remote measurement transmission to a receiving device and then
- die übertragenen Hirnaktivitätssignale, insbesondere mittels Echtzeitverarbeitung, aufbereitet, analysiert und klassifiziert werden hinsichtlich cha-
rakteristischer Hirnaktivitätsmuster zur Erkennung von psychischen Ausnahmezuständen, wie insbesondere ungewöhnlichem Stress und/oder Angst und/oder oder Panik, des jeweils signalliefernden Menschen, wobei bei beiden Verfahrensausprägungen die Ergebnisse dieser Signalanalyse von der Empfangseinrichtung über eine Schnittstelleneinrichtung zu einem Gerät oder einer Anlage weitergeleitet werden, um gegebenenfalls eine Zustandsänderung einer solchen Einrichtung als Sicherheitsmaßnahme oder Hinweise für den jeweiligen Menschen zu veranlassen,the transmitted brain activity signals, in particular by means of real-time processing, are processed, analyzed and classified in terms of cha characteristic brain activity pattern for the detection of mental states of emergency, such as in particular unusual stress and / or anxiety and / or panic, the signal supplying each person, in both cases the results of this signal analysis are forwarded by the receiving device via an interface device to a device or a system, to cause, if necessary, a change of state of such a device as a security measure or information for the respective person,
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Einrichtung zur Überwachung der Hirnaktivität eines Menschen und/oder Bildung wenigstens eines Signals zur Einwirkung auf eine technische Einrichtung im Falle eines psychischen Ausnahmezustandes, wie insbesondere eines erheblichen Angstzustandes und/oder extremer Aufmerksamkeit und/oder Panik, wenigstens eines Menschen, wobeiFurthermore, the invention comprises a device for monitoring the brain activity of a person and / or forming at least one signal for acting on a technical device in the case of a mental state of emergency, in particular a considerable state of anxiety and / or extreme attention and / or panic, at least one person, in which
- Mittel (2) zur Erfassung von Hirnaktivitäten, insbesondere unter Anwendung einer nichtinvasiven oder minimal-invasiven elektrophysiologischen Methode, vorhanden sind,- there are means (2) for detecting brain activity, in particular using a noninvasive or minimally invasive electrophysiological method,
- Mittel (4, 5) zur Echtzeitverarbeitung und/oder Aufbereitung und/oder Analyse und/oder Klassifizierung erfasster und/oder übertragener Hirnaktivitätssignale hinsichtlich charakteristischer Hirnaktivitätsmuster zur Erkennung von psychischen Ausnahmezuständen, wie insbesondere ungewöhnlichem Stress und/oder von Angst und/oder Panik des jeweils signalliefernden Menschen vorhanden sind,- means (4, 5) for real-time processing and / or processing and / or analysis and / or classification of detected and / or transmitted brain activity signals with respect to characteristic brain activity patterns for the detection of mental exacerbations, in particular unusual stress and / or anxiety and / or panic each signal supplying people are present,
- eine Einrichtung (6, 8) zur Messwertfernübertragung der erfassten Hinrak- tivitätssignale und/oder der Ergebnisse der Signalanalyse zu einer Empfangseinrichtung vorhanden ist, und- There is a device (6, 8) for remote measured value transmission of the detected Hinrak- tivitätssignale and / or the results of the signal analysis to a receiving device, and
- eine Schnittstelleneinrichtung (10) vorhanden ist, mittels der die Ergebnisse zu einem Gerät oder einer Anlage weitergeleitet werden, um gegebenenfalls eine Zustandsänderung einer solchen technischen Einrichtung zu veranlassen.- An interface device (10) is present, by means of which the results are forwarded to a device or a system to cause, if necessary, a change in state of such a technical device.
Dabei liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass im menschlichen Gehirn eine Vorverarbeitung einer Vielzahl von Daten stattfindet, durch deren Nutzung der
Gesamtaufwand zur Realisierung einer Überwachungseinrichtung zur Erhöhung der Sicherheit von Betriebspersonal relativ gering gehalten werden kann. Menschliche Sinnesorgane, wie Augen, Ohren, die Nase und die Haut reagieren auf eine Vielzahl von Einflüssen aus der Umgebung. Es werden Signale zum Hirn geleitet und dort verarbeitet, wobei bereits eine Filterung und Priorisierung aufgrund von Erfahrung und Instinkt stattfindet. Selbst lediglich instinktive Wahrnehmungen können zu Angstzuständen, Panik oder stressiger Wachsamkeit führen, die allgemein einen geänderten neuronalen Zustand hervorrufen, der in einer gesteigerten Hirnaktivität resultiert. Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, eben diese gesteigerte Hirnaktivität zur Erfassung oder Erkennung von Gefahrensituationen zu nutzen, und zwar durch detektieren der gesteigerten Hirnaktivität durch Anwendung einer nichtinvasiven oder minimal-invasiven elektrophysiologischen Methode, vorzugsweise durch Anwendung von Multichannel-EEG. Durch Weiterverarbeitung der erfassten Hirnaktivität unter Anwendung von bekannten Methoden zur schnellen Erkennung charakteristischer EEG-Signalmuster, insbesondere in höheren Frequenzbändern (beta waves), kann die erfasste Hirnaktivität weiter interpretiert und schließlich genutzt werden zur Steuerung technischer Einrichtungen. Aufgrund der so ermöglichten schnellen Reaktion kann vorteilhaft die Sicherheit der Person, die die BMI-EEG-Signale liefert, oder auch weiterer Personen im Umfeld deutlich erhöht werden.The invention is based on the consideration that in the human brain, a preprocessing of a variety of data takes place through the use of the Total cost of implementing a monitoring device to increase the safety of operating personnel can be kept relatively low. Human sensory organs such as eyes, ears, nose and skin respond to a variety of environmental influences. Signals are directed to the brain and processed there, with filtering and prioritizing based on experience and instinct. Even merely instinctive perceptions can lead to anxiety, panic, or stressful alertness, generally causing a changed neuronal condition resulting in increased brain activity. The invention proposes to use precisely this increased brain activity to detect or recognize dangerous situations by detecting the increased brain activity by using a noninvasive or minimally invasive electrophysiological method, preferably by using multichannel EEG. By further processing the detected brain activity using known methods for rapid recognition of characteristic EEG signal patterns, in particular in higher frequency bands (beta waves), the detected brain activity can be further interpreted and finally used to control technical facilities. Because of the fast reaction thus enabled, the safety of the person supplying the BMI EEG signals or other persons in the environment can be increased significantly.
Es versteht sich, dass auf diese Weise nicht nur die Sicherheit von z. B. Betriebspersonal erhöht wird, sondern auch industrielle Anlagen geschützt werden können. Ein Anwendungsbeispiel für eine solche Überwachungseinrichtung wäre die Ausrüstung von Betriebspersonal in chemischen oder nuklearen Anlagen mit einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung. Im Fall einer Panik bei einem oder mehreren Arbeitern könnte ein schneller Alarm ausgelöst werden, sogar dann, wenn kein Arbeiter bewusst eine Aktion veranlasst.It is understood that in this way not only the safety of z. As operating personnel is increased, but also industrial plants can be protected. An application example of such a monitoring device would be the equipment of operating personnel in chemical or nuclear plants with a monitoring device according to the invention. In the event of a panic in one or more workers, a fast alarm could be triggered, even if no worker deliberately takes action.
Als weiteres Anwendungsbeispiel könnte ein mit einem Roboter kooperierender Arbeiter vor Verletzungen/Gefährdungen durch die Maschine geschützt werden, bei- pielsweise bei auftretenden Stress aufgrund von Fehlverhalten des Roboters und/oder eines Menschen und/oder einer Gefahrensituation und/oder bei körperlichen Beschwerden, beispielsweise aufgrund eines Herzinfaktes oder Schlaganfalles oder Sturzes, wenn aufgrund der erfassten Hinraktivität beziehungsweise der dies-
bezüglichen Signale unmittelbar und/oder automatisch eine Abschaltung und/oder ein Stop des jeweiligen Roboters bewirkt wird.As a further example of application, a worker cooperating with a robot could be protected against injuries / hazards by the machine, for example in the case of occurring stress due to misconduct of the robot and / or a person and / or a dangerous situation and / or physical complaints, for example due to heart attack or stroke or fall if, due to the detected With respect to signals directly and / or automatically a shutdown and / or a stop of the respective robot is effected.
Auch könnte der jeweilige Mensch an sich in beispielsweise einer chemischen Produktionsanlage als eine Art zusätzlicher Sensor für vermeintlich gefährliche Anlagen- zustände genutzt werden, die letztlich zu einer Abschaltung der jeweiligen Anlage führen könnten.Also, the individual person could be used in itself, for example, in a chemical production plant as a kind of additional sensor for supposedly dangerous plant states, which could ultimately lead to a shutdown of the respective system.
In einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Möglichkeit die Signale mehrerer Menschen, beispielsweise einer Arbeitsgruppe, in Zusammenschau auszuwerten und eine Entscheidung über die weitere Vorgehensweise, insbesondere Abschaltung der Anlage, vom Zustand dieses Kollektivs abhängig zu machen.In one embodiment of the invention, it is possible to evaluate the signals of several people, such as a working group, in synopsis and make a decision on the further course of action, in particular shutdown of the system, depending on the state of this collective.
Dabei könnte beispielsweise ausgewertet werden, ob sich lediglich eine einzelne Person oder gar mehrere Personen in einem psychischen Ausnahmezustand befinden und/oder beispielsweise anzahlabhängig zwischen meheren zur Verfügung stehenden Maßnahmen und/oder mehrere Maßnahmen selektiert werden.In this case, it could be evaluated, for example, whether only a single person or even several persons are in a mental state of emergency and / or, for example, depending on the number of measures available between several available measures and / or several measures.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungsfigur 1.A further explanation of the invention and its advantages will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawing figure. 1
Fig. 1 zeigt schematisiert erforderliche Komponenten des Ausführungsbeispiels und den zugehörigen beispielhaften Verfahrensablauf. Mit Bezugszeichen 11 sind die am Körper eines Menschen zu tragenden Komponenten bezeichnet. Mittels einer nichtinvasiven elektrophysiologischen Methode, beispielsweise nach dem Multichannel- oder auch Vielkanal -EEG-Verfahren arbeitenden Einrichtung 2 werden Hirnaktivitäten 1 des Menschen erfasst. Das Gehirn des Menschen wirkt als Sammelpunkt für eine Vielzahl von Sensorsignalen des menschlichen Körpers. Sowohl rational geplante, als auch instinktive Entscheidungen, sowie Reaktionen werden im Gehirn verarbeitet und führen in bestimmten Situationen zu einer gesteigerten neuronalen Aktivität.
Im nächsten, in Fig. 1 mit 3 bezeichneten Schritt werden die erfassten Messsignale einer Signalaufbereitung 4, sowie einer hochentwickelten Echtzeit- Verarbeitungseinrichtung 5 zugeführt, womit eine Analyse und Klassifizierung nach charakteristischen Aktivitätsmustern erfolgt, um eine ungewöhnliche Stresssituation, Angst oder Panik zu erkennen, die vom Objekt, das der Mensch beobachtet, ausgelöst wird und zu den erfassten Messsignalen führt.Fig. 1 shows schematically required components of the embodiment and the associated exemplary process flow. Reference numeral 11 designates the components to be worn on a human body. By means of a non-invasive electrophysiological method, for example by means of the device 2 operating according to the multichannel or multi-channel EEG method, brain activities 1 of the human are recorded. The human brain acts as a collection point for a variety of sensor signals of the human body. Both rationally planned, as well as instinctive decisions, as well as reactions are processed in the brain and lead in certain situations to an increased neural activity. In the next step, denoted by 3 in FIG. 1, the acquired measuring signals are supplied to a signal conditioning unit 4 as well as to a sophisticated real-time processing unit 5, which analyzes and classifies according to characteristic activity patterns in order to detect an unusual stress situation, anxiety or panic from the object that the human being observes is triggered and leads to the detected measurement signals.
Analyse-Ergebnisse werden drahtlos, vergl. Bezugszeichen 7, mittels einer Sendeeinrichtung 6, z. B. eines Echtzeit-Telemethesenders und eines zugehörigen TeIe- metrie-Empfängers 8 oder eines Gateway übertragen, und mit Übertragungsmitteln 9 weitergeleitet zu einem Gerät oder eine technische Anlage 10, beispielsweise eine Leiteinrichtung oder eine Robotersteuerung.Analysis results are wireless, see reference numeral 7, by means of a transmitting device 6, z. B. a real-time telemetry transmitter and an associated tele-metry receiver 8 or a gateway, and transmitted with transmission means 9 to a device or a technical system 10, for example, a guide or a robot controller.
Das vorgeschlagene Verfahren, bzw. die Einrichtung zur Erfassung bestimmter Hirnaktivitäten kann die Sicherheit in Industrieanlagen deutlich erhöhen, z. B. in Verbindung mit Einrichtungen der Fabrik- oder Prozessautomation. Eine Echtzeiterfassung neurophysiologischer Signale kann wesentlich dazu beitragen kritische Funktionen und Zustände technischer Anlagen zu beherrschen, beispielsweise durch Notabschaltung. Das funktioniert auch dann, wenn eine Person, die mit der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung ausgerüstet ist, sich nicht direkt einer Gefahr be- wusst ist, oder nicht in der Lage ist, adäquat oder schnell genug zu reagieren.The proposed method or device for detecting certain brain activities can significantly increase safety in industrial plants, eg. In connection with factory or process automation equipment. Real-time acquisition of neurophysiological signals can significantly contribute to controlling critical functions and conditions of technical installations, for example by emergency shutdown. This also works if a person who is equipped with the monitoring device according to the invention is not directly aware of a danger, or is unable to react adequately or quickly enough.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch die Möglichkeit des Einbezugs weiterer menschlicher Reaktionen auf Gefahrensituationen, wie z. B. die Erfassung von anderen physiologischen Signalen, wie erhöhte Transpiration oder Pulsfrequenz. Solche Signale sind relativ einfach zu erfassen, beispielsweise mittels Sensoren in einer Computermaus. Außerdem können erfasste Hirnaktivitäten und andere erfasste Signale auch zu anderen Zwecken als zur Sicherheitserhöhung genutzt werden, beispielsweise auch zur Änderung von Eigenschaften einer technischen Anlage oder zum Aufruf von Hilfen oder Hinweisen für Wartenpersonal.
In the context of the invention, the possibility of including further human reactions to dangerous situations, such. As the detection of other physiological signals, such as increased transpiration or pulse rate. Such signals are relatively easy to detect, for example by means of sensors in a computer mouse. In addition, detected brain activity and other detected signals may also be used for purposes other than security enhancement, such as altering features of a technical facility or calling for assistance or guidance to maintenance personnel.
Claims
1. Verfahren zur Überwachung der Hirnaktivität eines Menschen und/oder Bildung wenigstens eines Signals zur Einwirkung auf eine technische Einrichtung im Falle eines psychischen Ausnahmezustandes, wie insbesondere eines erheblichen Angstzustandes und/oder extremer Aufmerksamkeit und/oder Panik, wenigstens eines Menschen, wobei1. A method for monitoring the brain activity of a person and / or formation of at least one signal for acting on a technical device in the case of a mental state of emergency, in particular a considerable state of anxiety and / or extreme attention and / or panic, at least one person, wherein
Hirnaktivitäten, insbesondere unter Anwendung einer nichtinvasiven elektrophysiologischen Methode, erfasst werden,Brain activities, in particular using a noninvasive electrophysiological method,
- derart in signalform erfasste Hirnaktivitäten, insbesondere mittels Echtzeitverarbeitung, aufbereitet, analysiert und klassifiziert werden hinsichtlich charakteristischer Hirnaktivitätsmuster zur Erkennung von psychischen Ausnahmezuständen, wie insbesondere ungewöhnlichem Stress und/oder Angst und/oder oder Panik, des jeweilig signalliefernden Menschen,brain activity recorded in signal form, in particular by means of real-time processing, prepared, analyzed and classified with regard to characteristic brain activity patterns for the recognition of mental states of emergency, in particular unusual stress and / or anxiety and / or panic, of the respective signal-delivering person,
Ergebnisse dieser Signalanalyse mittels Messwertfernübertragung zu einer Empfangseinrichtung übertragen werden, undResults of this signal analysis by means of measured value transmission are transmitted to a receiving device, and
- von dort über eine Schnittstelleneinrichtung zu einem Gerät oder einer Anlage weitergeleitet werden, um gegebenenfalls eine Zustandsänderung einer solchen Einrichtung als Sicherheitsmaßnahme oder Hinweise für den jeweiligen Menschen zu veranlassen.- Are forwarded from there via an interface device to a device or a system to possibly cause a change in state of such a device as a security measure or instructions for the respective people.
2. Verfahren zur Überwachung der Hirnaktivität eines Menschen und/oder Bildung wenigstens eines Signals zur Einwirkung auf eine technische Einrichtung im Falle eines psychischen Ausnahmezustandes, wie insbesondere eines erheblichen Angstzustandes und/oder extremer Aufmerksamkeit und/oder Panik, wenigstens eines Menschen, wobei2. A method for monitoring the brain activity of a person and / or formation of at least one signal for acting on a technical device in the case of a mental state of emergency, in particular a considerable state of anxiety and / or extreme attention and / or panic, at least one person, wherein
- Hirnaktivitäten, insbesondere unter Anwendung einer nichtinvasiven elektrophysiologischen Methode, erfasst werden, - derart in Signalform erfasste Hirnaktivitäten mittels Messwertfernübertragung zu einer Empfangseinrichtung übertragen werden,Brain activities, in particular using a noninvasive electrophysiological method, are recorded, - brain activities detected in such a form are transmitted to a receiving device by means of measured value transmission,
- die übertragenen Hirnaktivitätssignale, insbesondere mittels Echtzeitverarbeitung, aufbereitet, analysiert und klassifiziert werden hinsichtlich charakteristischer Hirnaktivitätsmuster zur Erkennung von psychischen Ausnahmezuständen, wie insbesondere ungewöhnlichem Stress und/oder Angst und/oder oder Panik, des jeweils signalliefernden Menschen, undthe transmitted brain activity signals, in particular by means of real-time processing, are prepared, analyzed and classified with regard to characteristic brain activity patterns for the recognition of mental states of emergency, in particular unusual stress and / or anxiety and / or panic, of the respective signal-producing person, and
- Ergebnisse dieser Signalanalyse von dort über eine Schnittstelleneinrichtung zu einem Gerät oder einer Anlage weitergeleitet werden, um gegebenenfalls eine Zustandsänderung einer solchen Einrichtung als Sicherheitsmaßnahme oder Hinweise für den jeweiligen Menschen zu veranlassen.- Results of this signal analysis are forwarded from there via an interface device to a device or a system to possibly cause a change in state of such a device as a security measure or advice to the respective person.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrophysiologische Methode Vielkanal-EEG verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that is used as the electrophysiological method multi-channel EEG.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Echtzeitverarbeitung der erfassten Signale und zur schnellen Erkennung charakteristischer EEG-Signalmuster besonders solche in höheren Frequenzbändern (beta waves) interpretiert werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in the real-time processing of the detected signals and for rapid detection of characteristic EEG signal pattern especially those in higher frequency bands (beta waves) are interpreted.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere physiologische Signale, insbesondere erhöhte Transpiration oder Pulsfrequenz erfasst und mit den durch Erfassung und Auswertung von Hirnaktivitäten gebildeten Signalen verknüpft werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that further physiological signals, in particular increased transpiration or pulse rate detected and linked to the signals formed by detection and evaluation of brain activity.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere physiologische Signale, insbesondere erhöhte Transpiration oder Pulsfrequenz erfasst und mit den durch Erfassung und Auswertung von Hirnaktivitäten gebildeten Signalen verknüpft werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that further physiological signals, in particular increased transpiration or pulse rate detected and linked to the signals formed by detection and evaluation of brain activity.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale mehrerer Menschen, insbesondere einer Ar- beitsgruppe, in Zusammenschau analysiert und/oder ausgewertet werden und/oder eine Entscheidung über die weitere Vorgehensweise vom Zustand dieses Kollektivs abhängig gemacht wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the signals of several people, in particular an Ar work group, analyzed and / or evaluated in synopsis and / or a decision on the further course of action is made dependent on the state of this collective.
8. Einrichtung zur Überwachung der Hirnaktivität eines Menschen und/oder Bildung wenigstens eines Signals zur Einwirkung auf eine technische Einrichtung im Falle eines psychischen Ausnahmezustandes, wie insbesondere eines erheblichen Angstzustandes und/oder extremer Aufmerksamkeit und/oder Panik, wenigstens eines Menschen, wobei8. A device for monitoring the brain activity of a person and / or formation of at least one signal for acting on a technical device in the case of a mental state of emergency, in particular a considerable state of anxiety and / or extreme attention and / or panic, at least one person, wherein
Mittel (2) zur Erfassung von Hirnaktivitäten, insbesondere unter Anwendung einer nichtinvasiven elektrophysiologischen Methode, vorhanden sind,Means (2) for detecting brain activity, in particular using a noninvasive electrophysiological method, are present,
Mittel (4, 5) zur Echtzeitverarbeitung und/oder Aufbereitung und/oder Analyse und/oder Klassifizierung erfasster und/oder übertragener Hirnaktivitätssignale hinsichtlich charakteristischer Hirnaktivitätsmuster zur Erkennung von psychischen Ausnahmezuständen, wie insbesondere ungewöhnlichem Stress und/oder von Angst und/oder Panik des jeweils signalliefernden Menschen vorhanden sind,Means (4, 5) for real-time processing and / or processing and / or analysis and / or classification of detected and / or transmitted brain activity signals with respect to characteristic brain activity patterns for the detection of mental emergency conditions, such as in particular unusual stress and / or anxiety and / or panic of each signal supplying people are present,
- eine Einrichtung (6, 8) zur Messwertfernübertragung der erfassten Hinrak- tivitätssignale und/oder der Ergebnisse der Signalanalyse zu einer Empfangseinrichtung vorhanden ist, und- There is a device (6, 8) for remote measured value transmission of the detected Hinrak- tivitätssignale and / or the results of the signal analysis to a receiving device, and
- eine Schnittstelleneinrichtung (10) vorhanden ist, mittels der die Ergebnisse zu einem Gerät oder einer Anlage weitergeleitet werden, um gegebenenfalls eine Zustandsänderung einer solchen technischen Einrichtung zu veranlassen.- An interface device (10) is present, by means of which the results are forwarded to a device or a system to cause, if necessary, a change in state of such a technical device.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete elektrophysiologische Methode Vielkanal-EEG ist.9. Device according to claim 8, characterized in that the electrophysiological method used is multi-channel EEG.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4, 5) zur Echtzeitverarbeitung der erfassten Signale und zur schnellen Erkennung charakteristischer EEG-Signalmuster dafür eingerichtet sind, besonders solche in höheren Frequenzbändern (beta wa- ves) zu interpretieren. 10. Device according to one of claims 8 or 9, characterized in that the means (4, 5) for the real-time processing of the detected signals and for the rapid detection of characteristic EEG signal patterns are adapted thereto, especially those in higher frequency bands (beta waves) to interpret.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Einrichtung, deren Zustand gegebenenfalls geändert wird, eine Einrichtung im Bereich der Fabrik- oder Prozessautomatisierung, oder eine Kraftwerksanlage oder chemische Produktionsanlage oder eine sonstige Industrieanlage ist.11. Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the technical device whose state is possibly changed, a device in the field of factory or process automation, or a power plant or chemical production plant or other industrial plant.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die technische Einrichtung, auf die gegebenenfalls eingewirkt wird, eine Leiteinrichtung oder eine Robotersteuerung ist.12. Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the technical device, which is optionally acted upon, a guide or a robot controller.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe weitere physiologische Signale, insbesondere erhöhte Transpiration oder Pulsfrequenz erfassbar und mit den durch Erfassung und Auswertung von Hirnaktivitäten gebildeten Signalen verknüpfbar sind. 13. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that means are provided, with the aid of other physiological signals, in particular increased transpiration or pulse rate can be detected and combined with the signals formed by detection and evaluation of brain activity.
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| Publication number | Publication date |
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| DE102009024866A1 (en) | 2010-12-16 |
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