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CSE - The Car that Cares

Critical Systems Engineering - Soziotechnische Kraftfahrzeugsysteme (The Car that Cares)

Durch die steigende Automatisierung wird das Zusammenspiel zwischen Mensch und Technik immer wichtiger. In besonderer Hinsicht auf ein zukünftiges fürsorgliches Auto (The Car that Cares) wird im Rahmen des Projekts die soziotechnische Beziehung zwischen individuellem Fahrer und den technischen Systemen des Fahrzeugs erforscht. Diese umfasst sowohl den umgebenden Verkehr, wie auch die straßenseitige Infrastruktur. 

Das CSE Teilprojekt The Car That Cares (CtC) hat dabei das Gesamtziel die Entwicklung von soziotechnischen Fahrzeugsystemen zu ermöglichen, die sich kontinuierlich sowohl an ihren internen  (z.B. Gesundheit des Fahrers, aktuelle Aufgaben) und externen Zustand (z.B. Wetter, Verkehr) anpassen und eine situationsbezogene kooperative Interaktion mit dem Fahrer des Autos anbieten.

Gerade ältere Verkehrsteilnehmer (ab 65 Jahre) sind hierbei besonders beachtenswert, da ihre Beteiligung aufgrund des demografischen Wandels zunimmt und das Unfallrisiko in dieser Gruppe erhöht ist. Ursache sind verschiedene Einschränkungen (wie z.B. der Wahrnehmung, und von kognitive Funktionen wie der situativen Anpassung der Aufmerksamkeit), die für das Autofahren entscheidend sind. Dem gegenüber steht der persönliche Wunsch und gleichzeitig gesellschaftlicher Bedarf einer möglichst langen mobilen Teilnahme und damit verbundener Unabhängigkeit. Um in zukünftigen Fahrzeugen Überlastungssituationen (gerade bei älteren Autofahrern) zu vermeiden oder vorzubeugen, ist es dabei essentiell, hochauflösende Informationen über ihre kognitive Leistungsfähigkeit zu haben und situationsbezogen diese Leistungsfähigkeit zu verbessern.

 Ziel

Die Beurteilung des kognitiven, emotionalen und gesundheitlichen Zustands des Fahrers innerhalb des fürsorglichen Fahrzeugs wird dabei durch eine multisensorische Betrachtung ermöglicht. Es soll den Fahrer unterstützen und Empfehlungen geben, um die Sicherheit, den Komfort und die Gesundheit durch adaptive multimodale Benutzerschnittstellen für verschiedene Sinne zu verbessern. 

Fokus der Arbeitsgruppe ist dabei die Erforschung robuster Verfahren zur Erfassung und Kontext-spezifischen, unterstützenden Modulation des neurokognitiven Zustandes des Fahrers mit Fokus auf ältere Verkehrsteilnehmer. Hierdurch sollen die Verarbeitungsfähigkeiten und Reaktionszeiten verbessert werden um ein angemessenes und sicheres Handeln auch in Verkehrssituationen mit zunehmender Komplexität und unter Zeitdruck zu unterstützen.

Ansatz

Dabei werden durch die Arbeitsgruppe Systeme zur Erfassung und Steigerung der kognitiven Leistungsfähigkeit weiterentwickelt bzw. verfeinert und ihre Eignung für den Anwendungsfall evaluiert:

  • Durch die Entwicklung eines mobiles fNIRS System, das robuster gegenüber Umwelteinflüssen (Bewegung des Probanden, Streulicht) ist und eine höhere Signalqualität erreicht, sollen auch in realitätsnahen Umgebungen zuverlässige Messungen der kognitiven Last ermöglicht werden.
  • Die transkranielle Wechselstrom-Stimulation (transcranial alternating current: tACS), wird als Methode zur Modulation des neurokognitiven Fahrerzustandes hinsichtlich ihrer Eignung im Fahrerkontext, auch für ältere Menschen untersucht. Bei tACS werden Gehirnwellen durch ein von außen am Kopf durch Elektroden erzeugtes Wechselstromfeld beeinflusst. Durch eine tACS induzierte Verstärkung oder Abschwächung bestimmter Gehirnwellen und somit u.a. Erhöhung kognitiver Fähigkeiten (z.B. in Lernaufgaben) sollen hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf den Fahrkontext untersucht werden. Hierfür werden anwendungsnahe Versuche durchgeführt. Aufgabenstellungen dabei sind u.a. die Verbesserung der Aufmerksamkeitsspanne bzw. Reaktionszeiten während monotoner oder auch besonders komplexer Fahraufgaben.

  • Im Living Lab State Characterization and Identification (LL SCI) werden neurokognitive Messverfahren für Studien im Fahrzeugführungskontext vorbereitet um bisherige Ergebnisse für den Anwendungsfall zu bestätigen und weitere Einblicke in die neuronalen Aktivitäten bei komplexen Fahrsituationen zu erhalten. So werden neben den in Entwicklung befindlichen Systemen (wie fNIRS und tACS) bildgebende Verfahren wie MEG und MRT eingesetzt und entsprechende MRT und MEG geeignete Fahrsimulator-Hardware (Lenkräder und Pedale) entwickelt. Weiterhin sollen diese Komponenten zusammen mit einem Fahrsimulator in ein Verarbeitungssystem integriert und in Studien eingesetzt werden. 

Förderung / Kooperationen

Das Interdisziplinäre Forschungszentrum für den Entwurf sicherheitskritischer soziotechnischer Systeme („Interdisciplinary Research Center for Critical Systems Engineering for Socio-Technical Systems") untersucht die Rolle des Menschen bei der Beherrschung komplexer Verkehrssysteme auf dem Land und dem Wasser. Kooperationspartner sind das Oldenburger Informatikinstitut OFFIS, das DLR-Institut für Verkehrssystemtechnik in Braunschweig und das Kompetenznetzwerk SafeTRANS.

Das Land Niedersachsen stellt in der aktuellen zweiten Förderphase eine weitere Anschubfinanzierung in Höhe von 2 Millionen Euro zur Verfügung, die Laufzeit wurde hier um weitere 18 Monate verlängert (2017-2018).

Publikationen

  • B. Löffler, H. I. Stecher, S. Fudickar, D. de Sordi, F. Otto-Sobotka, A. Hein, und C. Herrmann, "Counteracting the Slowdown of Reaction Times in a Vigilance Experiment with 40-Hz Transcranial Alternating Current Stimulation," IEEE - Transactions on Neural Systems & Rehabilitation Engineering, 2018.
    @article{ALofflerBSStecherHIFudickarSdeSordiDOtto-SobotkaFHeinA2018, abstract = {Indicators for a decrement in vigilance are a slowdown in reaction times and an increase in alpha power in the electroencephalogram (EEG) in posterior regions of the brain. Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a neuropsychological technique that has been found to interact with intrinsic brain oscillations and is able to enhance cognitive and behavioral performance. Recent studies showed that tACS in the gamma frequency range (30-80 Hz) is able to downregulate amplitudes in the alpha frequency range (8-12 Hz), in accordance to the effect referred to as cross-frequency coupling, where intrinsic alpha and gamma waves modulate each other. We applied 40 Hz gamma-tACS to the visual cortex during a vigilance experiment and investigated if stimulation improves reaction times and error rates with time-on-task. In our sham controlled experiment, participants completed two blocks of 30 minutes duration while performing the same visual two-choice task. The first block was used as BASELINE. A statistical analysis with a linear mixed model (LMM) revealed a significantly lower increase of modeled reaction times over time in the INTERVENTION-block of the tACS-group as compared to their BASELINE-block whereas there was no significant change between the BASELINE- and INTERVENTION-block for the SHAM-group. Error rates did not differ between groups. This study indicates that gamma-tACS can enhance performance in vigilance tasks as it significantly decreased the slowdown of reaction times in our study.},
      author = {L\"{o}ffler, BS and Stecher, H I and Fudickar, S and de Sordi, D and Otto-Sobotka, F and Hein, A and Herrmann, CH},
      journal = {IEEE - Transactions on Neural Systems {\&} Rehabilitation Engineering},
      title = {{Counteracting the Slowdown of Reaction Times in a Vigilance Experiment with 40-Hz Transcranial Alternating Current Stimulation}},
      year = {2018},
      url = {https://ieeexplore.ieee.org/document/8458158} }
  • [inproceedings] bibtex
    N. Volkening, A. Unni, J. W. Rieger, S. Fudickar, und A. Hein, "Development of a Mobile Functional Near-Infrared Spectroscopy Prototype," in Proc. Internet of Vehicles. Technologies and Services Towards Smart City, Cham, 2018, pp. 146-161.
    @inproceedings{Volkening2018b,
      author="Volkening, Nils and Unni, Anirudh and Rieger, Jochem W. and Fudickar, Sebastian and Hein, Andreas", editor="Skulimowski, Andrzej M.J. and Sheng, Zhengguo and Khemiri-Kallel, Sond{\`e}s and C{\'e}rin, Christophe and Hsu, Ching-Hsien", title="Development of a Mobile Functional Near-Infrared Spectroscopy Prototype", booktitle="Internet of Vehicles. Technologies and Services Towards Smart City", year="2018", publisher="Springer International Publishing", address="Cham", pages="146--161", abstract="Driving is a complex and cognitively demanding task. It is important to assess the cognitive state of the driver in order to develop cognitive technical systems that can adapt to different cognitive states of the driver. For this purpose, we have developed a mobile functional near-infrared spectroscopy (mofNIRS) prototype. This paper describes the improvements of this mobile prototype with freely placeable optodes on a subject's head and the results of an evaluation study. We conducted a motor cortex experiment with four subjects, whereby the mobile prototype was mounted on the right hemisphere and a commercial, stationary fNIRS on the left hemisphere above the motor cortex area. One data set had to be discarded due to incorrect synchronization between both systems. The results of the remaining three subjects are presented and discussed in this paper. Here, we report the results from the time-series and Statistical Parametric Mapping (SPM) analyses, which shows t-values with high differentiability of the Results. Furthermore, both analysis methods show comparable results between the commercial system and the mobile prototype.", isbn="978-3-030-05081-8" }
  • [inproceedings] bibtex | Dokument aufrufen Dokument aufrufen
    N. Volkening, A. Unni, S. Becker, J. W. Rieger, S. Fudickar, und A. Hein, "Development of a Mobile Functional Near-infrared Spectroscopy Prototype and its Initial Evaluation: Lessons Learned," in Proc. Proceedings of the 11th PErvasive Technologies Related to Assistive Environments Conference on - PETRA '18, 2018, pp. 214-221.
    @inproceedings{Volkening2018d, abstract = {This paper presents a new mobile near-infrared functional spectroscopy (fNIRS) device, with digital detectors that can be placed anywhere on the head and fit into standard caps to measure cortical brain activation. The device's functionality was evaluated in two steps, i.e. first, by means of simple pulse measurements and second, in a motor cortex study with nine subjects. In this study, the subjects had to alternate between right and left hands while using hand-held strength trainers. While the signals from the mobile prototype were not yet stable enough across all channels to perform analysis such as statistical parametric mapping, it was able to measure significant brain activation changes over the area of the motor cortex with the mobile prototype when the contralateral hand was activated in four subjects. In contrast, the device was yet unable to measure ipsilateral activities. The problems encountered and possible methods to improve signal acquisition are discussed at the end of the paper.},
      author = {Volkening, Nils and Unni, Anirudh and Becker, Sabeth and Rieger, Jochem W and Fudickar, Sebastian and Hein, Andreas},
      doi = {https://doi.org/10.1145/3197768.3201534},
      keywords = {AMTCSE,AMTUNI,accepted,fnirs,full paper,functional near-infrared spectroscopy,is a non-invasive,method for the imaging,mobile fnirs,motor cortical activity,of the central nervous,prototype,system and is used},
      title = {{Development of a Mobile Functional Near-infrared Spectroscopy Prototype and its Initial Evaluation: Lessons Learned}},
      booktitle = {Proceedings of the 11th PErvasive Technologies Related to Assistive Environments Conference on - PETRA '18},
      isbn = {9781450363907},
      pages = {214--221},
      publisher = {ACM Press},
      url = {http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=3197768.3201534},
      year = {2018} }
  • S. Blum, S. Debener, R. Emkes, N. Volkening, S. Fudickar, und M. G. Bleichner, "EEG Recording and Online Signal Processing on Android: A Multiapp Framework for Brain-Computer Interfaces on Smartphone," BioMed Research International Hindawi, vol. 2017, p. 12, 2017.
    @article{Blum2017, abstract = {Objective. Our aim was the development and validation of a modular signal processing and classification application enabling online electroencephalography (EEG) signal processing on off-the-shelf mobile Android devices. The software application SCALA (Signal ProCessing and CLassification on Android) supports a standardized communication interface to exchange information with external software and hardware. Approach. In order to implement a closed-loop brain-computer interface (BCI) on the smartphone, we used a multiapp framework, which integrates applications for stimulus presentation, data acquisition, data processing, classification, and delivery of feedback to the user. Main Results. We have implemented the open source signal processing application SCALA. We present timing test results supporting sufficient temporal precision of audio events. We also validate SCALA with a well-established auditory selective attention paradigm and report above chance level classification results for all participants. Regarding the 24-channel EEG signal quality, evaluation results confirm typical sound onset auditory evoked potentials as well as cognitive event-related potentials that differentiate between correct and incorrect task performance feedback. Significance. We present a fully smartphone-operated, modular closed-loop BCI system that can be combined with different EEG amplifiers and can easily implement other paradigms.},
      author = {Blum, Sarah and Debener, Stefan and Emkes, Reiner and Volkening, Nils and Fudickar, Sebastian and Bleichner, Martin G},
      doi = {10.1155/2017/3072870},
      file = {:C$\backslash$:/Users/NilsV/AppData/Local/Mendeley Ltd./Mendeley Desktop/Downloaded/Blum et al. - Unknown - EEG Recording and Online Signal Processing on Android A Multiapp Framework for Brain-Computer Interfaces on Smar.pdf:pdf},
      journal = {BioMed Research International Hindawi},
      keywords = {AMTCSE,AMTUNI,accepted,full paper},
      pages = {12},
      title = {{EEG Recording and Online Signal Processing on Android: A Multiapp Framework for Brain-Computer Interfaces on Smartphone}},
      volume = {2017},
      year = {2017},
      url={http://doi.org/10.1155/2017/3072870}
  • [inproceedings] bibtex
    N. Volkening, A. Unni, B. S. Löffler, S. Fudickar, J. W. Rieger, und A. Hein, "Characterizing the Influence of Muscle Activity in fNIRS Brain Activation Measurements," in Proc. IFAC-PapersOnLine, 2016, pp. 84-88.
    @inproceedings{Volkening2016, abstract = {Driving is a complex and cognitively demanding task. It is essential to assess the cognitive state of the driver in order to design cognitive technical systems that can adapt to different driver cognitive states. Our research attempts to assess these states using functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) by measuring brain activity in a virtual reality driving simulator. However, the fNIRS brain activation measurements could be influenced by muscle activity and we wanted to investigate this phenomenon. For this, we designed a paradigm with two conditions (listen, teeth clench) which show a significant contrast in the influence of muscle activity. We observed that the muscle hemodynamic response can show a higher magnitude of signal change compared to brain hemodynamic response. The muscle hemodynamic response showed an increase in deoxygenated hemoglobin (HbR) whereas the brain hemodynamic response showed a decrease in HbR. Moreover, the dynamics of the brain and muscle hemodynamic response differed. The brain response showed the same latency for oxygenated hemoglobin (HbO) and HbR while the muscle HbR response had a slower latency compared to HbO. We concluded that the fNIRS brain activation measurements could indeed be influenced by muscle activity. We were also able to determine some characteristics of the muscle hemodynamic response.},
      author = {Volkening, Nils and Unni, Anirudh and L{\"{o}}ffler, Birte Sofie and Fudickar, Sebastian and Rieger, Jochen W. and Hein, Andreas},
      booktitle = {IFAC-PapersOnLine},
      doi = {10.1016/j.ifacol.2016.08.013},
      file = {:C$\backslash$:/Users/NilsV/AppData/Local/Mendeley Ltd./Mendeley Desktop/Downloaded/Volkening et al. - 2016 - Characterizing the Influence of Muscle Activity in fNIRS Brain Activation Measurements.pdf:pdf},
      issn = {24058963},
      keywords = {OFFIS=G-AIT/AHT/CSE,UNIAMT,UNICSE,accepted,full paper},
      mendeley-tags = {OFFIS=G-AIT/AHT/CSE,UNIAMT,UNICSE,accepted,full paper},
      number = {11},
      pages = {84--88},
      title = {{Characterizing the Influence of Muscle Activity in fNIRS Brain Activation Measurements}},
      volume = {49},
      year = {2016} }
  • [inproceedings] bibtex | Dokument aufrufen Dokument aufrufen
    B. S. Löffler, S. Fudickar, C. S. Herrmann, und A. Hein, "Ein Blick in das Gehirn: Messung und Verbesserung der Fahrleistung älterer Autofahrender mit Hilfe von Neuroimaging und Elektrostimulation," in Proc. Trends in Neuroergonomics, Berlin, 2015, pp. 166-169.
    @inproceedings{bwmms, abstract = {In diesem Beitrag wird ein Forschungsansatz vorgestellt, der es {\"{a}}lteren Autofahrern erm{\"{o}}glichen soll, bis in ein sehr hohes Alter ihre Fahrleistung zu erhalten. Motivation ist die, aufgrund des demografischen Wandels zu erwartende zuk{\"{u}}nftige hohe Zahl {\"{a}}lterer Autofahrer. Trotz des erh{\"{o}}hten Unfallrisikos ist in Deutschland keine regelm{\"{a}}{\ss}ige {\"{U}}berpr{\"{u}}fung der Fahreignung dieser Gruppe vorgesehen – bem{\"{a}}ngelt werden von der Zielgruppe und Fachleuten vor allem die fehlende Objektivit{\"{a}}t der Beurteilung und die assoziierten hohen Kosten. Neurotechnik wird auf Forschungsebene bereits im Auto und im Simulator eingesetzt und hat als Methode zur objektiven Fahrerzustandserkennung, auch von {\"{A}}lteren, Potential. Dieser Beitrag gibt einen {\"{U}}berblick {\"{u}}ber Assessment-Strategien der Fahreignung, und beschreibt ein angestrebtes Studiendesign, bei dem die Gehirnaktivit{\"{a}}ten mit Hilfe von EEG w{\"{a}}hrend der Fahrt aufgezeichnet und die M{\"{o}}glichkeit der Verbesserung der Fahrleistung durch Feedback und transkranielle Wechselstromstimulation im Auto erforscht werden soll. Der erste Ansatz und Pilotversuch zu letzterem Aspekt wird kurz vorgestellt.},
      address = {Berlin},
      author = {L{\"{o}}ffler, Birte Sofie and Fudickar, Sebastian and Herrmann, Christoph S. and Hein, Andreas},
      booktitle = {Trends in Neuroergonomics},
      doi = {10.14279/depositonce-4887},
      editor = {{Carolin Wienrich, Thorsten Zander},
      Klaus Gramann},
      file = {:C$\backslash$:/Users/NilsV/AppData/Local/Mendeley Ltd./Mendeley Desktop/Downloaded/L{\"{o}}ffler B, Fudickar S, Herrmann CS - 2015 - Ein Blick in das Gehirn Messung und Verbesserung der Fahrleistung {\"{a}}lterer Autofahrender mit.pdf:pdf},
      isbn = {9783798328037},
      keywords = {UNIAMT,UNICSE,accepted},
      mendeley-tags = {UNIAMT,UNICSE,accepted},
      organization = {Technische Universit{\"{a}}t Berlin},
      pages = {166--169},
      publisher = {Universit{\"{a}}tsverlag der TU Berlin},
      series = {11. Berliner Werkstatt Mensch-Maschine-Systeme},
      title = {{Ein Blick in das Gehirn: Messung und Verbesserung der Fahrleistung {\"{a}}lterer Autofahrender mit Hilfe von Neuroimaging und Elektrostimulation}},
      url = {https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5190{\%}5Cnhttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4887},
      year = {2015} }
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