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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schalten
und/oder Steuern, insbesondere eines Rechners, wobei die Gehirnströme eines
Menschen erfasst werden und in digitale Schalt- und/oder Steuerbefehle
umgewandelt werden.
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In
der WirtschaftsWoche Nr. 38 vom 14.9.1995, S. 132 und 134, wird
ein Steuerungssystem beschrieben, mit dem Computer allein mit den Gedanken
zu steuern sein sollen. Hierbei werden menschliche Gehirnströme direkt
in digitale Steuerungsbefehle für
einen Computer umgewandelt. Als Sensor zum Messen von Gehirnströmen wird
hierbei eine Art Fingerhut verwendet, der über eine Fingerkuppe gestülpt Blutdruck,
Pulsschlag, Hautspannung und dergleichen misst. Ein nachgeschalteter
Computer wandelt diese Werte in Steuerungsbefehle um. Mit diesem
Fingersensor sollen sowohl Art als auch Intensität von Gedanken erfasst werden.
Dieses System benötigt
jedoch noch einen erheblichen Hard- und Software-Aufwand.
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Auf
S. 134 dieser Veröffentlichung
wird ein weiteres System beschrieben, wonach elektromagnetische
Gehirnwellen mittels eines Elektroenzephalographen (EEG) gemessen
werden, der in einer Art Stirnband untergebracht ist. Die Messwerte
werden drahtlos an einen Auswertungscomputer übertragen und in Steuersignale
umgesetzt. Die Art der Auswertung der gemessenen Gehirnströme wird
hierbei jedoch nicht näher
beschrieben.
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Darüber hinaus
sind aus dem Behindertenbereich Schalt- und/oder Steuervorrichtungen
bekannt, die die Augenbewegungen erfassen. Diese Art der Steuerung
bedarf jedoch einer sehr hohen Konzentration der Bedienperson, da
im Blickfeld eine Vielzahl von optischen Reizen vorhanden ist, die
zu falschen Ausgangssignalen führen
können.
Damit ist noch eine beträchtliche
Fehlerquote in dem daraus gewonnenen Schaltsignal bzw. Steuerbefehl
vorhanden.
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Aus
der
US 4 651 145 A geht
ein Verfahren zum Schalten/Steuern hervor, bei dem die Gehirnströme eines
Menschen erfasst werden und bei dem der Signalverlauf der Gehirnströme mit einem
vorgegebenen Muster-Signalverlauf verglichen wird. In der Zeitschrift „Biomedizinische
Technik", Band 37,
Heft 12/1992, S. 303-309, wird ein ähnliches Verfahren beschreiben,
das sich mit dem Schalten/Steuern eines Cursors auf einem Monitor
befasst. In der
US 5 402
797 A wird ein Stimulationssystem offenbart, das mit einer
Vielzahl von Licht emittierenden Dioden arbeitet. Diese Systeme
sind jedoch relativ komplex aufgebaut und zudem mit Unsicherheiten
behaftet.
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Demzufolge
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Schalten und/oder Steuern, insbesondere eines Rechners,
hinsichtlich Genauigkeit und Sicherheit des Ausgangssignals zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruches 3.
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Demgemäss wird
beim vorgeschlagenen Verfahren bzw. bei der vorgeschlagenen Vorrichtung der
Signalverlauf der Gehirnströme
mit einem definierten Muster-Signalverlauf verglichen. Dieser definierte
Muster-Signalverlauf kann personenbezogen oder individuell im Auswerterechner
abgespeichert sein und/oder bevorzugt durch das gezielt erzeugte und
von den menschlichen Sinnen aufgenommene Eingangs- oder Quellsignal
selbst gebildet werden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass beispielsweise
ein über
das Gehör
aufgenommenes Eingangssignal, wie z. B. ein Morsesignal, in der
Hirnstrom-Signalfolge im wesentlichen den gleichen Verlauf (Frequenz,
Amplitude) aufweist. Durch Vergleich zwischen dem durch die menschlichen
Sinne aufgenommenen Eingangssignal und dem dabei generierten Hirnstrom-Signalverlauf
lässt sich
somit in dem Auswerterechner die Übereinstimmung überprüfen, inwieweit
der Mensch das Quellsignal aus der Umwelt tatsächlich bewusst aufgenommen
hat. Somit lassen sich Nebengeräusche
oder störende
Lichtimpulse ausfiltern.
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Dadurch
lassen sich zuverlässig
reproduzierbare digitale Schalt- und/oder Steuerbefehle bilden,
wobei das Quellsignal durch jeden menschlichen Sinn aufgenommen
werden kann, bevorzugt über
das Gehör
oder das Auge. Insbesondere die Erfassung des Quellsignals durch
das Auge hat den Vorteil, dass hierdurch Lichtquellen und damit
bestimmte Lichtimpulsfolgen über
eine weite Entfernung aufgenommen werden können. So können damit sogar komplexe Anlagen
gesteuert werden, beispielsweise Hallenkräne oder Fahrzeuge.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
anhand der Zeichnung näher
erläutert und
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Gesamtdarstellung des Systems;
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2 eine
zweikanalige Ausführung
mit Flussdiagramm; und
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3 eine
einkanalige Ausführung
mit Flussdiagramm.
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Gemäß 1 sind
bei einem nicht näher dargestellten
Kran die fünf
Funktionen EIN, AUS, HEBEN, SENKEN und DREHEN an einem Steuergerät 3 vorhanden.
Für jede
Funktion wird bevorzugt im direkten Arbeitsbereich des Hallenkrans
eine jeweils in Frequenz und/oder Amplitude unterschiedliche Lichtimpulsfolge
a, b abgegeben, beispielsweise durch jeweils eine Lichtquelle oder
Signalgeber 4 mit einer Frequenz des ausgestrahlten Lichtimpulses von
z. B. 20, 22, 24, 26 und 28 Schwingungen pro Minute. Wenn somit
die Bedienperson die Funktion HEBEN wünscht, betrachtet sie die Lichtquelle 4 mit
der Impulsfolge von 24 Schwingungen. Durch gezieltes Betrachten
dieser speziellen Lichtquelle 4 für die Funktion HEBEN wird somit
dieser Steuerbefehl bewusst übernommen
und in Folge mit dem im wesentlichen gleichen Muster im Gehirnstrom
generiert. Ein entsprechender Sensor, bevorzugt ein Stirnband 1 mit
einer EEG-Elektrode 2 am Sehzentrum, stellt somit den Signalverlauf
c, d fest, so dass in einem Auswerterechner 5 diese Hirnstrom-Signalfolge
c, d mit dem definierten Muster-Signalverlauf a, b des Quellsignals
(z. B. Leuchte 4 mit 24 Schwingungen) verglichen werden
kann. Wird dann vom Auswerterechner 5 eine zumindest qualitativ übereinstimmende
Signalfolge erkannt, wird der entsprechende Steuerbefehl e, hier
HEBEN, per Kabel oder per Funk an das Steuergerät 3 abgegeben und
ausgeführt.
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Somit
ergibt sich eine Fernsteuerung für
eine Vielzahl von Maschinen und Anlagen, die über das digitale Steuergerät 3 angesteuert
werden. Die Quellsignale a, b können
dabei bei der Aufnahme durch den Gehörsinn auch durch bestimmte
Tonfolgen gebildet werden, zum Beispiel durch bekannte Morsesignale.
Damit sind für
die Anwender derartiger digitaler Steuergeräte 3 keine Eingabetastaturen
oder Steuerhebel mehr erforderlich, so dass sich die vorgeschlagene
Schalt- und/oder
Steuervorrichtung insbesondere für
Behinderte eignet oder für
Arbeiten, bei denen die Hände
nicht frei sind bzw. anderweitig benötigt werden, wie z. B. Chirurgen-
oder Piloten-Tätigkeiten.
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Wie
bereits angedeutet, eignen sich als Quellsignale a, b akustische
oder optische Reize, jedoch sind auch Quellsignale über die
Riech- oder Fühlorgane
möglich,
da jeder der menschlichen Sinne (Sehen, Hören, Riechen, Fühlen, Tasten)
bei einem entsprechenden bestimmten Reiz im Gehirn einen definierten
Gehirnstrom als messbare elektrische Größe erzeugt. Diese elektrischen
Signale lassen sich an verschiedenen Stellen der menschlichen Kopfaußenseite
messen, die aus der Medizintechnik bekannt sind. So sind beispielsweise
für das
Sehzentrum und optische Reize bestimmte Punkte an der Kopfaußenseite
bekannt, wie sie insbesondere in der EEG-Messung verwendet werden.
Durch die Erfassung der Frequenz und des Signalmusters des auslösenden Reizes
können
die gemessenen Hirnstrom-Signale c, d dazu dienen, Schaltvorgänge auszulösen bzw.
zu steuern, wie dies nachfolgend für den menschlichen Sinn "Sehen" erläutert wird.
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Hierbei
sendet eine Lichtquelle 4 als Signalgeber, gesteuert mit
entsprechender Software, wie dies durch die Impulsfolge a', b' zwischen Steuergerät 3 und
Auswerterechner 5 angedeutet ist, Lichtimpulse einer bestimmten
Frequenz, die beispielsweise in einer Art Morsecode mit wechselnden
Peaks kodiert ist, und einer gewissen Mindestlichtstärke aus, die
von der jeweiligen Umgebung abhängig
ist. Beide Augen eines Betrachters bzw. einer Bedienperson nehmen
die Lichtimpulse a, b dieser Lichtquelle 4 auf. Über die
Sehnerven erfolgt eine Weiterleitung dieser Lichtimpulse zu den
beiden Sehzentren im Gehirn des Menschen, wo in jedem der beiden
Sehzentren die messbare Umwandlung (Photostimulation) der Lichtimpulse
erfolgt. Mehrere Elektroden 2, die bevorzugt an einem Stirnband 1 angeordnet
sind und bestimmten, aus der Medizintechnik bekannten Punkten der
Kopfaußenseite
zugeordnet sind, nehmen diese Signale auf, deren Abstrahlleistung
ausreichend hoch ist. Eine geeignete Elektronik in einem Verstärker 7 kann
diese Signale c, d eines jeden Sehzentrums noch zusätzlich auf
ein höheres
Niveau verstärken.
Die so verstärkten
Signale eines jeden Sehzentrums werden dann an den Auswerterechner 5 weitergeleitet,
der auch das eingangs genannte Programm zur Ansteuerung der Lichtquelle 4 mit
der Impulsfolge a',
b' enthalten kann.
Dieses Steuerungsprogramm für
die Lichtquelle 4 und der Verstärker 7 zur Auswertung
der Gehirnstrom-Signalfolge c, d können dabei Bestandteile des
Auswerterechners 5 sein. Dabei ist auch die Bauweise möglich, dass
ein Mikroprozessor sowohl die Funktion des Steuerungsrechners im
Steuergerät 3 zur
Ansteuerung der Lichtquelle 4 als auch die Aufgabe des
Auswerterechners 5 übernimmt.
In diesem Falle werden die den Quellsignalen a, b entsprechenden
Ansteuerungssignale a',
b' von dem Steuergerät 3 per
Kabel oder Funk dem Auswerterechner 5 zugeleitet, um dort
die Vergleichsbasis zu bilden.
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Der
Auswerterechner 5 führt
zunächst
einen Vergleich durch, ob die Signale aus den beiden Gehirnhälften des
Menschen (Sehzentrum) in ihrer Intensität (Amplitude) und Frequenz
innerhalb einer einstellbaren Toleranzqualität gleich sind. Wenn dies zutrifft,
dann folgt daraus, dass der Mensch mit beiden Augen bewusst auf
die jeweilige pulsierende Lichtquelle blickt, beispielsweise auf
die Leuchte für den
Steuerungsbefehl HEBEN.
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Dann
wird gemäß 2 überprüft, ob die
Signalfolge c, d aus den Sehzentren und die ausgesandten Lichtimpulse
a, b die gleiche Signalfolge und Frequenz haben. Dieser Vergleich
ist durch einfache Koppelung des Auswerterechners 5 und
des Steuergerätes 3 möglich, wie
dies mit dem Doppelpfeil für die
Impulsfolge a',
b' angedeutet ist.
Wenn der Vergleich innerhalb bestimmter Grenzwerte positiv ist, folgt
daraus, dass der Mensch bewusst in die entsprechende pulsierende
Lichtquelle 4 blickt und die Auslösung des entsprechenden Steuerungsbefehls (hier:
HEBEN) wünscht.
Neben diesem Vergleich kann als weitere Bedingung eine bestimmte
Zeitperiode von beispielsweise einer Sekunde in dem Auswerterechner 5 festgelegt
werden, so dass zur Auslösung
des Schalt- und/oder Steuerungsbefehls die jeweilige Lichtquelle 4 für etwa eine
Sekunde bewusst betrachtet werden muss, damit auch die Hirnstrom-Signalfolge
c, d über
einen Zeitbereich von etwa einer Sekunde vorliegt.
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Sind
die beiden vorstehenden Bedingungen, nämlich Übereinstimmung von rechtem
und linkem Sehzentrum d. h. zwischen c und d, sowie Übereinstimmung
der Frequenz und/oder Amplitude von ausgesendetem Lichtimpuls a,
b und aufgenommenem Gehirnstrom c, d gleich, löst der Auswerterechner 5 eine
dem entsprechenden Lichtimpuls zugeordnete Aktion aus. Dies ist
in dem vorstehenden Beispiel der Schaltbefehl HEBEN.
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Anstatt
des Vergleichs der beiden Messsignale an dem rechten und linken
Sehzentrum kann der Auswerterechner 5 auch jeweils das
stärkere
der beiden Signale zur Auswertung heranziehen. Diese einkanalige
Ausführung
gemäß 3 eignet
sich damit auch für
Sehbehinderte, die auf einem Auge eine geringe Sehleistung besitzen.
Zur Erhöhung
der Schalt- und/oder Steuersicherheit sollte hier jedoch der Überprüfungszeitraum
größer gewählt werden,
um Störeinflüsse, wie
beispielsweise zufälliges
Betrachten der jeweiligen Lichtquelle, auszuschließen.
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Die
Quellsignale a, b, (in dem beschriebenen Beispiel die Lichtimpulse)
können
dadurch gebildet werden, dass mehrere Leuchten 4 mit einer
gewissen räumlichen
Trennung angeordnet sind. Jede dieser Leuchten 4 sendet
eine andere Codierung bzw. blinkt beispielsweise in einer anderen
Frequenz oder auch in einer speziellen Farbe. Diese Quellsignalfolge kann
von dem Steuergerät 3 aus
an den Auswerterechner übermittelt
werden (Pfeil a',
b' nach oben) oder
die Ansteuerung der Lichtquelle 4 von diesem aus erfolgen.
Dadurch kann man durch das bewusste Betrachten der entsprechenden
Leuchte 4 den dazugehörigen
Schaltvorgang auslösen,
da der Auswerterechner 5 die jeweils ausgesendeten Quellsignale
a, b als Vergleichsbasis zur Überprüfung, ob
a, b = c, d ist, heranziehen kann.
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Nachfolgend
sei eine weitere Anwendung auf Fahrzeuge zur Verhinderung des sogenannten Sekundenschlafs
beschrieben. Der Fahrer setzt bei Fahrtbeginn eine modifizierte
Brille auf, deren Bügel beispielsweise
länger
gestaltet sind und bis zu den Photostimulationspunkten am Hinterkopf
reichen, um die Messsignale c, d an dem rechten und linken Sehzentrum
zu erfassen. Zugleich mit dem Aufsetzen derartiger Sensoren oder
Elektroden 2 kann durch Eingabe am Bordcomputer des Fahrzeugs
der Auswerterechner 5 auf die Gehirnwellenintensität des jeweiligen
Fahrers eingestellt oder geeicht werden. Dies ist insbesondere deshalb
erforderlich, weil je nach Verfassung des Fahrers die Gehirnwellen
c, d in ihrer Intensität
unterschiedlich sein können.
Bei diesem Eichvorgang lässt
beispielsweise der Bordcomputer des Fahrzeugs in kurzen Abständen im
Blickfeld des Fahrers eine Lichtquelle oder eine Leuchtdiode 4 aufblitzen.
Mit diesen Signalen wird der Auswerterechner 5 hinsichtlich
seiner Definition der Grenzwerte auf den jeweiligen Fahrer und seine
Gehirnströme
eingestellt.
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Der
Auswerterechner 5, der Teil des Bordcomputers sein kann,
lässt in
regelmäßigen Abständen (programmgesteuert
gemäß Signalfolge
a', b') im Blickfeld des
Fahrers eine Lampe oder Leuchtdiode 4 aufleuchten (= Quellsignale
a, b), beispielsweise im Armaturenbrett oder in die Windschutzscheibe
eingespiegelt. Über
die Elektroden 2 an den Sehzentren erfolgt die Erfassung
der dadurch induzierten Gehirnstrom-Signalfolge c, d. Der Auswerterechner 5 im Bordcomputer
wertet das so gewonnene Signal von dem wenigstens einen, bevorzugt
beiden Sehzentren aus. Hat der Fahrer aufgrund von Müdigkeit
oder beginnendem Schlaf die Augen geschlossen, fehlt das Signal
oder ist entsprechend niedriger als im Wachzustand. In diesem Fall
sendet der Bordcomputer eine weitere Folge von Lichtblitzen um festzustellen, ob
der Fahrer beispielsweise nur kurzzeitig in den Rückspiegel
geblickt hat oder tatsächlich
eingeschlafen ist. Im ersten Fall kehrt das System in den normalen
Prüfstatus
zurück.
Reagiert der Fahrer auf die erhöhte
Frequenz der Lichtblitze (= modifizierte Signalfolge a', b') nicht, werden die
für diesen
Gefahrenfall programmierten Vorgänge
eingeleitet, beispielsweise Aktivierung einer akustischen Warnung
oder gar die Reduzierung der Geschwindigkeit oder Provozierung von
Zündaussetzern
mit "ruckelnder" Fahrweise, um den
Fahrer "wachzurütteln".
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In
einer abgewandelten Ausführung
dieser "Antischlaf-Brille" für Kraftfahrer,
aber auch für
Lokführer,
können
beim Eichvorgang beispielsweise auch bestimmte Gehirnstrom-Signalfolgen
(Wellenmuster) des individuellen Fahrers eingestellt werden. Dies
sind vor allem die beiden Varianten, wobei der Fahrer aufmerksam
durch die Windschutzscheibe blickt oder dann der andere Extremfall,
dass der Fahrer die Augen geschlossen hat. Indem der Fahrer diese
beiden Extrembeispiele durchführt,
wird der jeweilig auftretende Schwellwert im Bordcomputer erfasst und
in einem Speicherbaustein 6 abgespeichert. Mit diesen abgespeicherten
Signalen wird somit der Auswerterechner 5 auf den jeweiligen
Fahrer und seine Gehirnströme
eingestellt. Insbesondere sind die Schwellwerte der beiden Gehirnwellenmuster
c, d, einerseits bei normalem Sehvorgang durch die Windschutzscheibe
und andererseits bei geschlossenen Augen, extrem unterschiedlich,
so dass hieraus zuverlässige
Aussagen über
den jeweiligen Zustand des Fahrers gewonnen werden können.
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Während der
Fahrt nimmt das Sehzentrum (bzw. beide Sehzentren) laufend eine
Vielzahl von Lichtimpulsen auf. Solange der Auswerterechner 5 diese
Vielzahl unterschiedlicher Lichtimpulse über die Elektroden 2 am
Kopf des Fahrers messen kann, wird davon ausgegangen, dass der Fahrer
die Augen geöffnet
hat und wach ist. Erst wenn der Auswerterechner 5 eine
Reduzierung der Signale feststellt bzw. sogar die empfangenen Signale
c, d dem beim Eichen festgestellten Zustand "Augen geschlossen" entsprechen, werden geeignete Alarmierungsmaßnahmen
eingeleitet. Wesentlich ist hierbei auch, dass bereits bei einer
Reduzierung der Gehirnstrom-Aktivitäten in Richtung
auf das Gehirnwellenmuster für den
Zustand "Augen geschlossen" entsprechende Gegenmaßnahmen
eingeleitet werden können.
So kann beispielsweise der Bordcomputer durch Modifizierung der
Ansteuersignale a',
b' die Impulszahl
der von der Lichtquelle 4 ausgesendeten Lichtimpulse a, b
erhöhen.
Die Anpassung der Vergleichsbasis erfolgt im Auswerterechner 5 entsprechend
der Änderung
der an die Lichtquelle 4 abgegebenen Ansteuersignale a', b'.
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Durch
diese Ausführung
kann somit eine berührungslose
Schalt- und/oder Steueranordnung geschaffen werden. Diese kann beispielsweise
für Lokführer als
Ersatz für
die sogenannte "Totmannschaltung" dienen. Durch die
Erfassung der Gehirnstrom-Signalfolgen c, d in vorstehendem Sinne
kann überprüft werden,
ob der Lokführer
noch wach ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Lokführer keinerlei
Betätigungselemente
periodisch bedienen muss wie bisher, so dass er seine Hände nicht
von den Bedienelementen, wie Bremsen, usw., nehmen muss.
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Besonders
vorteilhaft ist die vorgeschlagene Schalt- und/oder Steuervorrichtung
auch bei Arbeiten in geschlossenen Versuchskammern, mit Handschuhen,
die eine Betätigung
von Schaltern überaus schwierig
gestalten. Auch hier bietet sich die optische Version der Schaltvorrichtung
besonders an. Die Anordnung der Sensoren kann hierbei, wie vorstehend beschrieben,
an einer Brille vorgesehen sein, jedoch auch an einem Stirnband,
einer Mütze
oder einem Helm, der in derartigen Arbeitsbereichen meist ohnehin
vorgeschrieben ist. Somit ergibt sich keine Beeinträchtigung
des Bewegungsspielraums der jeweiligen Person.
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Weiterhin
ist hierbei, ähnlich
wie bei dem Steuergerät 3 (bevorzugt
mit integriertem Steuerungsrechner) eine berührungslose Cursor- oder Tastatursteuerung
möglich,
indem der jeweiligen Taste oder Cursorpfeil ein bestimmtes Signalmuster
(z. B. Frequenz, d. h. bestimmte Farbe, Symbolik oder Schwingungsverlauf)
auf den Monitor zugewiesen wird. Betrachtet die Bedienperson z.
B. einen bestimmten Cursorpfeil (z. B. nach oben) auf dem Monitor,
der hier der Lichtquelle 4 entspricht, ergibt dies ein
bestimmtes Signalmuster in Gehirnstrom, das dann dieser Cursortaste
zugewiesen werden kann, da deren Lichtfrequenz (z. B. Farbe rot)
bekannt ist, insbesondere im Speicher 6 zumindest qualitativ
definiert ist. Der Auswerterechner 5 kann somit den spezifischen
Signalverlauf c, d der Gehirnströme
erfassen, diesen durch Rückgriff
auf den Speicher 6 einer bestimmten (Cursor-) Taste zuweisen,
den Vergleich über
einen bestimmten Zeitraum von z. B. einer halben Sekunde durchführen und
bei Übereinstimmung
einen entsprechenden Schaltbefehl (hier: z. B. Cursor nach oben)
auslösen.
Damit eignet sich dieses berührungslose
System insbesondere auch für
die Steuerung der sogenannten Fenstertechnik auf Computerbildschirm.