Idee, Projektorganisation:   Andreas Döpkens
Programmierung:   Brian Schüler 

Ein medizinisch-psychologisches Messgerät für motorisch-kognitive Fähigkeiten (a medical-psychological measuring device for motor-cognitiv skills)

Das acaPendulum ist ein Messgerät, das über Zeiterfassung motorisch-kognitive Fähigkeiten testet. Die Zielpersonen für den praktischen Einsatz von acaPendulum sind einerseits in der Forschung arbeitende Ärzte im Allgemeinen, Neurologen im Speziellen, die in der zuverlässigen Diagnose von Alzheimer- und Parkinson-Patienten sowie für "essentielle Tremor-Erkrankungen" objektive Daten benötigen. Eine weitere Zielgruppe sind in der Entwicklungspsychologie arbeitende Wissenschaftler, denen es um die Findung von objektiven Kriterien für den altersspezifischen Entwicklungsstand der geistigen, psychomotorischen Fähigkeiten von Kleinkindern geht. Hinzu kommen die Untersuchungsfelder der Klinischen Psychologie, welche übergeordnet die biologischen, sozialen, entwicklungs- und verhaltensbezogenen sowie die kognitiven und emotionalen Grundlagen psychischer Störungen untersucht.

Die kognitive Herausforderung im Umgang mit acaPendulum liegt darin, dass dieses Gerät mit einer inversen Logik arbeitet: ich muss nicht auf einen Taster drücken, damit etwas passiert, sondern ich muss den zuvor gedrückten Taster loslassen, damit eine bestimmte technische Reaktion erfolgt.

Sowohl bei Alzheimer- und Parkinson-Patienten sowie bei Kleinkindern (evtl. durch ADHS beeinträchtigt) sind die kognitiv-motorischen Fähigkeiten eingeschränkt. Über Quer- und Längsschnitt-Messungen mit dem acaPendulum sollen - so unsere apriorische Arbeitshypothese - Grade im pathologisch bedingten Abbau und in der entwicklungsspezifisch bedingten Zunahme dieser Fähigkeiten ermittelt werden können. M.a.W.: An Alzheimer oder Parkinson erkrankte Menschen sowie Kleinkinder werden mit der Bedienung von acaPendulum größere Schwierigkeiten haben als gesunde Menschen oder ältere Kinder.

Neben den beiden genannten Einsatzgebieten gibt es mit dem acaPendulum noch ein weiteres Untersuchungsfeld, das Aufschluss über motorisches Lernverhalten und Lernentwicklung am "normalen" Erwachsenen bringen soll. Es stehen zwei verschiedene Arbeitshypothesen zur Diskussion. Die erste geht davon aus, dass der durchschnittliche, psychomotoriscch gesunde Erwachsene die Bedienung von acaPendulum letztlich nur in dem Grad beherrschen kann, wie es sein allgemeines, genetisch disponiertes Reaktionsvermögen hergibt. Menschen mit einem guten (kognitivfreien) Reaktionsvermögen werden danach zu besseren Ergebnissen in der Bedienung von acaPendulum kommen als Menschen mit einem schlechter veranlagten Reaktionsvermögen. [Das kognitivfreie Reaktionsvermögen kann ganz leicht gemessen werden: Sobald eine Lampe aufleuchtet, muss ich einen Taster betätigen. Diese Aufgabe ist unschwer für jeden Menschen zu verstehen, sie ist deshalb kognitivfrei. Bei Menschen mit einem guten Reaktionsvermögen beträgt die Reaktionszeit zwischen Aufleuchten der Lampe und Drücken des Tasters etwa 150 Millisekunden, bis hin zu 300 ms bei Menschen, die "eine etwas längere Leitung haben". Für diesen Messzweck der durchschnittlichen Reaktionszeit ist in acaPendulum ein Reaktionszeitmesser eingebaut.]

Die zweite, kontroverse Arbeitshypothese geht davon aus, dass für die Bewältigung von acaPendulum die durchschnittliche Reaktionszeit eines Menschen überhaupt nicht von Bedeutung ist. Jeder Mensch, egal wie gut oder schlecht sein allgemeines Reaktionsvermögen ist, kann den Umgang mit acaPendulum vollständig erlernen, d.h. nach einer gewissen Einarbeitungszeit kognitiv meistern. Man muss ihm nur ein wenig Zeit dafür geben. Zwar gäbe es die schnellen und die langsamen Lerner im motorischen Bereich, aber jeder könne prinzipiell das Endziel von acaPendulum (das ist das Aufschaukeln des Pendels in eine vorgegebene Pendelgeschwindkigkeit) erreichen.

Letztlich kann nur eine der beiden Arbeitshypothesen in der Praxis richtig sein. Welche das ist, sollen Messungen zeigen.

Der Aufbau von acaPendulum

Das acaPendulum besteht aus einer an einem Faden aufgehängten Metallkugel, zwei Distanzsensoren, einem Elektromagneten, einem Arduino und einem resistiven Touch-Display.
Wird die Kugel in Schwingungen versetzt, kann durch die beiden Distanzsensoren die Geschwindigkeit gemessen werden. Durch Aktivieren des Elektromagneten kann die Schwinggeschwindigkeit der Kugel verändert werden.
Das acaPendulum ist mit einem resistiven Touch-Display ausgestattet. Durch Drücken des roten Tasters kann im Manual-Mode die Kugel zum Schwingen gebracht werden. Je präziser das Drücken und Loslassen des Tasters erfolgt, umso schneller wird die Kugel schwingen. Durch entgegengesetztes Verhalten im Umgang mit dem Taster lässt sich die Kugel abbremsen, bis hin zum Stillstand. Mittels eines Timers wird die Zeit ermittelt, die jemand benötigt, um die Kugel auf eine vorgegebene Geschwindigkeit zu bringen.

Die Handhabe von acaPendulum

Ziel ist es, die sich in Ruhelage über dem Zentrum des Elektromagneten befindliche Metallkugel in Schwingungen mit möglichst großer Geschwindigkeit zu bringen. Dazu wird auf dem Touch-Display der rote Taster betätigt, der den Elektromagneten für die Zeit des Tastendrucks aktiviert und die Kugel anzieht. Mit dem "richtigen" Drücken und Loslassen des Tasters wird sich die Kugel anfangs langsam bewegen, dann aber in ihren Schwingungen immer schneller werden.

Um eine möglichst schnelle Schwingungsbewegung herbeizuführen, ist folgendes Vorgehen erforderlich. Der Taster muss spätestens gedrückt werden, wenn sich die Kugel von rechts kommend über dem rechten Digitalsensor (DS2) befindet, und von links kommend über dem linken Digitalsensor (DS1). In den Fällen nämlich wird die Kugel zum Tiefpunkt (in der Mitte über dem Elektromagneten) angezogen und somit beschleunigt. Befindet sich die Kugel genau über der Mitte des Elektromagneten (also an ihrem Tiefpunkt), muss der Taster wieder losgelassen werden, damit die Kugel an der Stelle nicht gebremst wird, sondern ungehindert auf der anderen Seite frei durchschwingen kann.

Zur erfolgreichen Realisierung dieser Aufgabe ist sehr viel Fingerspitzengefühl, eine gute Beobachtungsgabe und ein gutes Reaktionsvermögen erforderlich. Die meisten Menschen schaffen es zwar, die Kugel aus dem Stillstand in eine langsame Geschwindigkeit zu versetzen, die vorgegebene Endgeschwindigkeit aber erreichen sie nicht annähernd. (Dass die Endgeschwindigkeit jedoch durch richtigen Tastendruck problemlos in kurzer Zeit erreicht werden kann, zeigt der Demo-Mode.)

Anbindung einer serverorienten Datenbank an acaPendulum

Wie oben erwähnt handelt es sich bei acaPendulum um ein medizinisch-psychologisches Messinstrument zur Ermittlung motorisch-kognitiver Fähigkeiten. Um in diesem Bereich zu validen und reliablen Aussagen kommen zu können sind umfangreiche Messungen mit statistischen Auswertungen erforderlich. Zu diesem Zweck wurde acaPendulum (im Rahmen einer Bachelorarbeit) mit einer Datenbank ausgestattet, die folgende Messungen speichert:

Daten für die acaPendulum-Datenbank

1  Benutzer Profil-Daten 

anonymisierter Pseudonym-Name (z.B. Haha17)

Geburtsdatum (z.B. 18.03.2001)

Geschlecht (m/w)

Händigkeit der Testperson (rechts-/linkshändig)

 

2  Reaktionstester-Daten

(Innerhalb einer "Session" können unbestimmt viele Reaktionstests hintereinander erfolgen, bis die Serie an zusammengehörenden Tests, also die Session, beendet wird)

  • Datum und Uhrzeit des Session-Beginns (z.B. 03.04.2018   16:49 Uhr)
  • Startzeit und laufende Nummer eines Reaktionstestes (z.B. Test 001   17:03 Uhr)
  • gemessene Reaktionszeit (in Millisekunden, bis max. 3000ms, danach erzwungener Abbruch)
    (Wenn ein Reaktionstest beendet ist, soll dieser für gültig oder ungültig erklärt werden können. Bei "ungültig" wird er nicht gewertet und verworfen.)
  • Datum und Uhrzeit des Session-Endes (z.B. 03.04.2018   17:20 Uhr)
    (Wenn die Session beendet ist, soll sie auf Wunsch sofort gelöscht werden können. Ansonsten wird sie in der Datenbank unter dem Benutzerprofil aus 1 eingetragen.)

 

3  Pendel-Beschleunigungstest-Daten

(Bis auf ein paar Unterschiede sind im Wesentlichen dieselben Daten von Bedeutung wie unter 2) 

  • Datum und Uhrzeit des Session-Beginns (z.B. 03.04.2018   16:49 Uhr)
  • Startzeit und laufende Nummer eines Pendel-Beschleunigungstestes (z.B. Test 001   17:03 Uhr)
  • Eingestellte Pendel-Endgeschwindigkeit (z.B. 60 cm/s, max. 120)
  • Eingestellte Ablaufzeit des Versuches (Min:Sec , max. 2:00)
  • gemessene Zeit bis zum Erreichen der Pendel-Endgeschwindigkeit (Min:Sec)
    (Wenn ein Pendel-Beschleunigungstest beendet ist, soll dieser für gültig oder ungültig erklärt werden können. Bei "ungültig" wird er nicht gewertet und verworfen.)
  • Datum und Uhrzeit des Session-Endes (z.B. 03.04.2018   17:20 Uhr)
    (Wenn die Session beendet ist, soll sie auf Wunsch sofort gelöscht werden können. Ansonsten wird sie in der Datenbank eingetragen.)
  • Für eine Messung wird festgehalten, ob diese mit der rechten oder linken Hand erfolgte
  • Die Anzahl der Kugeldurchläufe (=Schwingungen) wird gezählt
  • Die Anzahl der Button-Presses durch den User wird gezählt; bei dieser Zählung wird unterschieden, ob der Button-Press erfolgte, als die Kugel von rechts oder links kam. (Anm.: mithilfe der letzten beiden Messfaktoren soll ermittelt werden, ob der Proband konzentriert und überlegt die Kugel zum Schwingen gebracht hat, oder nur unkontrolliert und zufällig gedrückt hat, in der Hoffnung, dadurch ein gutes Ergebnis zu erzielen)

 

 

Thema für eine Masterarbeit: Programmierung einer Android-App oder Web-Anwendung

Das acaPendulum existiert bislang nur als reiner Hardware-Aufbau. Zur Vereinfachung seiner medizinisch-psychologischen Anwendung in der Praxis durch einerseits möglichst viele Psychologie-Studenten in Abschlussarbeiten, aber auch durch in der Forschung arbeitende Psychiater und Neurologen, würden wir es gerne auch als Android-App oder Web-Anwendung realisieren. Neben den einfachen Bedienfunktionen liegt bei der App-Realisierung der Schwerpunkt auf der korrekten grafischen Wiedergabe des schwingenden Pendels, das durch eine lineare Differentialgleichung 2. Ordnung beschrieben werden kann. Diesen Teil wird Prof. Dr. Christian Forler betreuen. Interessenten an dieser Arbeit sollten schon mit der grafischen Programmierung von Android-Apps oder Web-Anwendungen vertraut sein (oder bereit sein, sich selbstständig in diesen Themenbereich einzuarbeiten), da Christian Forler diesen Teil der Arbeit nicht aktiv betreuen möchte, sondern - wie oben schon gesagt - nur den informatik-mathematischen Teil der Pendelschwingung.