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Müde bin ich geh zur Ruh, mache meine Augen zu. Doch vorher setze ich den ExLu auf und schalte den Computer ein.

 ExLu - Extreme Lucidity

Einleitung

  

Es sollte ein Gerät entwickelt werden, welches während des Schlafes die Augenbewegungen erfassen kann. Diese Informationen sollen in Echtzeit an einen Computer übertragen werden können. Auf dem PC läuft ein Programm, welches die Daten auswertet und beim Eintreffen bestimmter Bedingungen Multimediainformationen abspielt.
Der Aufbau des ExLu ist auf folgendem Foto dargestellt.

 Die Leiterplatte mit der Elektronik wird mit einem Gummiband auf der Stirn befestigt. Die Reflexlichtschranke zur Registrierung der Augenbewegung befindet sich in der Augenklappe. Die Datenübertragung zum PC erfolgt mit Infrarot. Sender und Empfänger sind auf der Elektronikplatine angebracht.

Blockschaltbild

Herzstück des ExLu ist der Controller. Er steuert die Datenerfassung, übernimmt die Vorverarbeitung der Messwerte und kommuniziert mit dem PC.
Der Sensor für die Augenbewegungen ist die Reflexlichtschranke. Diese besteht aus einer Infrarotdiode und einem Fototransistor. Das von der Infrarotdiode erzeugte Licht wird vom Augenlied reflektiert und vom Fototransistor empfangen. Mit diesem wird die Stromstärke eines durch einen Widerstand fließenden Stroms verändert. Die Stromstärke ist annähernd proportional der empfangenen Lichtstärke.

 

PC-Interface

 Bei einer Augenbewegung verändert sich die Stärke des reflektierten Lichtes und somit der Spannungsabfall über den Widerstand. Diese Spannung kann mit dem Analog/Digitalwandler des Controllers in einen digitalen Wert umgewandelt werden. Dieser steht somit zur Weiterverarbeitung und Speicherung bereit.
Die Datenerfassung wird vom Controller auf ein Kommando vom PC gestartet. Dazu wird in einem Zeitraum von 7s die Infrarotdiode dreißig Mal für wenige Millisekunden eingeschaltet und jeweils eine Messung des A/D-Wandlers gestartet. Die Messwerte kann der PC aus dem Controller über die Infrarotdatenübertragungsstrecke auslesen.

Die Kommunikation zwischen PC und Controller erfolg mittels Infrarot. Das entspricht etwa dem Prinzip der Fernbedienung für einen Fernseher, nur dass sie in beiden Richtungen funktioniert. Die Infrarotsender und -empfänger sind jeweils in dreifacher Ausführung auf dem ExLu vorhanden. Damit kann die Ausleuchtzone wesentlich vergrößert werden, was eine sichere Datenübertragung auch beim Drehen des Kopfes ermöglicht. Um Fremdlichteinflüsse zu vermindern, wird das Infrarotsignal mit einer Frequenz von 38 kHz moduliert.
Das Datenübertragungsprotokoll ist z.Z. noch sehr einfach gehalten. Daten und Kommandos werden als eine bestimmte Anzahl von Impulsen, die in einer bestimmten Zeit übertragen werden müssen, kodiert.

Anmerkung

In Zukunft wird die Datenübertragung stark überarbeitet werden. Die Störfestigkeit und Erreichbarkeit muss verbessert werden. Da immer weniger PC's eine RS-232 Schnittstelle haben, ist an eine Migration zu einem USB-Interface zu denken. Es sollte auch der Einsatz von preiswerten Funkmodulen z.B. im 433 MHz Bereich getestet werden. Insbesondere stellt sich auch hier die Frage der Störfestigkeit und Erreichbarkeit, da auch viele andere Geräte wie Funkthermometer, drahtlose Kopfhörer und andere diesen Frequenzbereich benutzen. Außerdem muss geprüft werden, ob die über Funk abgestrahlte Sendeleistung in unmittelbarer Kopfnähe eine gesundheitliche Gefährdung darstellt.
Der auf dem Foto zu sehende mechanische Aufbau ist das Ergebnis verschiedener Experimente. Die Sensoren für die Augenbewegungen sind in der Augenklappe untergebracht. Damit bleibt ein Auge frei und kann durch andere Lichtquellen wie dem PC-Monitor stimuliert werden. Die Befestigung für den ExLu besteht aus einem Stirn- und einem Kinnband. Die Schaltung des ExLu wurde kompakt auf einer Leiterplatte untergebracht. Der Versuch, einzelne Komponenten des ExLu verteilt auf dem Stirnband anzubringen und damit ein noch bequemeres Tragen zu ermöglichen, war nicht erfolgreich. Es zeigte sich, dass die Kopfbewegungen in der Nacht doch sehr heftig und unkontrolliert sind. Das hatte zur Folge, dass sich vorallem die Verbindungsleitungen zwischen den Komponenten lösten.

Die Augenklappenform hatte aber auch ein Nachteil: Die Augenklappe verrutschte sehr leicht. Diese Bewegungen werden als Bewegungen des Auges aufgezeichnet. Der dadurch entstehende Messfehler kann durch die Computersoftware herausgefiltert werden. Dennoch besteht das viel größere Problem, dass die Augenklappe mir oft so verrutscht ist, dass sie sich auf meiner Stirn befand, als ich aufwachte. Die Messungen waren somit kompletter Nonsens und eine weitere Nacht war ergebnislos. Deshalb entschloss ich mich ein ExLu ohne Augenklappe zu entwickeln. Das neue offene Design besteht nur noch aus einem Stirnband mit einem Gehäuse und einer Infrarot LED, die über dem Auge hängt. Äußere Lichtquellen stören nicht, da das Umgebungslicht gemessen wird und aus der Analyse eliminiert wird. Das neue Design ist viel stabiler, verrutscht nicht und bietet somit eine genaue und komfortable REM-Erkennung, da man nun nicht mit einer störenden Augenklappe schlafen muss.

Man sieht, dass die Hardware des ExLu sehr einfach gehalten wurde. Auch die Software welche im Controller vorhanden ist, führt nur elementare Funktionen aus. Die 'Intelligenz' steckt in der PC-Software. Das hat vorallem in der Phase der Entwicklung wesentliche Vorteile. Die Programmierung eines Controllers ist schwieriger als die eines PC's. Es wird eine spezielle zusätzliche Hardware benötigt. Die Ressourcen eines Controllers (Rechenleistung, Speicher ,...) sind begrenzt. Auf dem PC können Messergebnisse flexibler ausgewertet oder dargestellt werden.

Die PC-Software

  

Das für den PC entwickelte Programm wurde 'SleepyWatch' genannt. Es muss die folgenden Aufgaben erfüllen:

1. Kommunikation mit ExLu
2. Messwerterfassung
3. Auslösen von multimedialen Reizen nach vorgegebenen Regeln
4. Darstellung und Verarbeitung der Messergebnisse
5. Simulation verschiedener Parameter
6. Funktionstests

Auf Punkt eins soll hier nicht näher eingegangen werden. Die anderen Funktionen lassen sich am besten an der Programmoberfläche erläutern. Abbildung 1 zeigt den Startbildschirm.

 Als erstes ist zu bestimmen wie oft eine Messung der Augenbewegung ausgelöst werden soll. Ein Intervall von 60 Sekunden hat sich als ausreichend erwiesen.
Im Feld Traumdetektor kann bestimmt werden, ab wann frühestens die Multimediainformationen abgespielt werden sollen. Damit wird die Phase des Einschlafens berücksichtigt, in welcher naturgemäß die Augenbewegungen noch sehr lebhaft sein können. Dabei kann man wählen, ob man eine bestimmte Zeit zum Einschlafen braucht oder, ob man meint erst nach einer bestimmten Zeit eingeschlafen zu sein. Werden beide Varianten gewählt, zählt der Zeitpunkt welcher als spätester eintritt.
Im Feld Sensibilität kann bestimmt werden, wie stark die Augenbewegungen sein müssen um eine Aktion auszulösen.
Im Feld Aktion wird festgelegt, was gemacht werden soll, wenn eine Augenbewegung erkannt wurde. Es kann z.B. eine Musikdatei oder auch eine Videodatei abgespielt werden. Da es während einer Traumphase zu mehreren Augenbewegungen kommt, ist es sicherlich sinnvoll, nicht jedes Mal mit der eingestellten Aktion aufgeweckt zu werden. Das kann mit der unter Block eingetragenen Zeit verhindert werden. Frühestens nach Ablauf dieser Zeit wird beim Erkennen einer Augenbewegung wieder eine Aktion gestartet.
Es stellt sich die Frage, ob es sinnvoll ist, gleich beim ersten Erkennen einer Augenbewegung die gewählte Aktion auszuführen. Eventuell ist es besser erst einige Zeit vergehen zu lassen, um tiefer in den Traumzustand zu gelangen, um z.B. sicher zu gehen, dass man schon träumt. Diese Verzögerung kann mit dem Parameter Delay eingestellt werden.
Eventuelle Störspitzen oder der Übergang in die Tiefschlafphase können dadurch ausgeblendet werden, dass das Programm überprüft, ob man nach Ablauf des Delay sich immer noch in der Traumphase befindet. Es ist aber nicht sicher, ob bei der Wahl einer hohen Sensibilität und dem 'Traumcheck' nicht Ereignisse verloren gehen können. Dieses ist durch Auswertung der Messergebnisse und Simulationen noch zu überprüfen.
Mit dem Button Start wird die Suche nach den Augenbewegungen gestartet. Gleichzeitig werden alle Messwerte und solche Ereignisse wie das Erkennen einer Augenbewegung, dem Auslösen einer Aktion und falls der Anwender den Abbruch-Button gedrückt hat, in eine Datei geschrieben.
Eine laufende Aktion (z.B. das Wecken durch Musik) kann vom Anwender durch Betätigen des Abbruch-Buttons abgebrochen werden.
Damit die Messwertdatei nicht versehentlich überschrieben wird, kann sie mit dem Archiv-Button in einem Archiv abgelegt werden. Das Archiv ist ein spezielles Verzeichnis, in dem Unterverzeichnisse, deren Namen dem aktuellen Datum entsprechen, mit den Messwertdateien angelegt werden.
Abbildung 1: Startbildschirm

Wie sind aber nun die optimalen Parameter auszuwählen? Dabei hilft eine gründliche Analyse der Messwerte. Dazu ist der Reiter Abgleich auszuwählen.

 Im Feld Grafische Auswertung wird die Darstellung der Messwerte in Form von Diagrammen gestartet. Das können sowohl die aktuellen als auch archivierte Messwerte sein. Es ist möglich verschiedene Diagramme gleichzeitig zu öffnen.
In Abbildung 3 sind die unbearbeiteten Messdaten zu sehen. Es sind deutlich Peaks der Intensität der Augenbewegungen zu sehen. Allerdings kann nicht eindeutig zwischen Augenbewegungen und Störungen, wie sie durch Bewegung des Körpers entstehen können, unterschieden werden.
Abbildung 2: Messwertanalyse

 Abbildung 3: Hypnogramm

  

Deshalb wurde ein Filter in Form eines fließenden Mittelwertes eingesetzt. Die Anzahl der berücksichtigten Messpunkte wird als Sensibilität bezeichnet. In den folgenden Abbildungen stellt die grüne Linie die bearbeitete Messkurve dar.
Abbildung 4: Hypnogramm Sensibilität 20

Abbildung 5: Hypnogramm Sensibilität 50

Um den Beginn intensiver Augenbewegungen feststellen zu können, wird der Anstieg der bearbeiteten Messwerte ausgewertet. Der Wechsel von einem negativen zu einem positiven Anstieg wird als Beginn der Augenbewegung festgelegt. Sie enden mit dem Wechsel des Anstiegs von einem positiven zu einem negativen Wert. In Abbildung 6 sind die Traumphasen als blaue Linien zu sehen. Überlagert man jetzt noch die im Reiter Messung festgelegten Bedingungen zum Auslösen einer Aktion, so kann man im Diagramm an den gelben Punkten erkennen, wann die Multimediadatei abgespielt werden würde.
Abbildung 6: Zeitpunkte des Auslösens von Aktionen

Durch Variation der Sensibilität und der Auslösebedingungen (zum Aktualisieren der Darstellung ist der Menüpunkt Action zu wählen) können die optimalen Parameter bestimmt werden.