Design and evaluation of a noninvasive tongue-computer interface for individuals with severe disabilities

Tongue-computer interfaces have shown the potential to control assistive devices developed for individuals with severe disabilities. However, current efficient tongue-computer interfaces require invasive methods for attaching the sensor activation units to the tongue, such as piercing. In this study, we propose a noninvasive tongue-computer interface to avoid the requirement of invasive activation unit attachment methods. We developed the noninvasive tongue-computer interface by integrating an activation unit on a frame, and mounting the frame on an inductive tongue-computer interface (ITCI). Thus, the users are able to activate the inductive sensors on the interface by positioning the activation unit with their tongue. They also do not need to remount the activation unit before each use. We performed pointing tests for controlling a computer cursor and number typing tests with two able-bodied participants, where one of them was experienced with using invasive tongue-computer interfaces and other one had no experience. We measured throughput and movement error for pointing tasks, and speed and accuracy for number typing tasks for the evaluation of the feasibility and performance of the developed noninvasive system. Results show that the inexperienced participant achieved similar results with the developed noninvasive tongue-computer interface compared to the current invasive version of the ITCI, while the experienced participant performed better with the invasive tongue-computer interface

Design of a portable device: Toward assisting in tongue-strengthening exercises and dysphagia management

A Tongue-Machine Interaction System (TMIS) can serve as a valuable tool for tongue strengthening training which could contribute to rehabilitation of patients with dysphagia and eventually help in mending the oropharyngeal pattern of swallowing. The TMIS can also facilitate research into dysphagia, as tongue positioning and Range-of-Motion are commonly used outcome parameters in dysphagia research. Using a TMIS (for interacting with computers, a variety of communication devices and mobility support systems) would be tantamount to performing tongue muscle strengthening exercises. Such exercises can help patients with dysphagia in improving strength of the oral musculature. TMIS’s features can also provide valuable biofeedback during the tongue muscle exercises. The adoption of TMIS’s in clinical practice has been limited in the past since many of them require patients to have a palatal plate or some component of interactivity mounted in the mouth and/or on the tongue. This paper reports the design and implementation of a portable, low-cost, minimally invasive and, easy to learn TMIS which can be utilized for training and strengthening of tongue musculature. The selection and incorporation of design features important to the target patient demography are also discussed

Design and evaluation of a multimodal assistive technology using tongue commands, head movements, and speech recognition for people with tetraplegia

People with high level (C1-C4) spinal cord injury (SCI) cannot use their limbs to do the daily life activities by themselves without assistance. Current assistive technologies (ATs) use remaining capabilities (tongue, muscle, brain, speech, sniffing) as an input method to help them control devices (computer, smartphone). However, these ATs are not very efficient as compared to the gold standards (mouse and keyboards, touch interfaces, joysticks, and so forth) which are being used in everyday life. Therefore, in this work, a novel multimodal assistive system is designed to provide better accessibility more intuitively. The multimodal Tongue Drive System (mTDS) utilizes three key remaining abilities (speech, tongue and head movements) to help people with tetraplegia control the environments such as accessing computers, smartphones or driving wheelchairs. Tongue commands are used as discrete/switch like inputs and head movements as proportional/continuous type inputs, and speech recognition to type texts faster compared to any keyboards to emulate a mouse-keyboard combined system to access computers/ smartphones. Novel signal processing algorithms are developed and implemented in the wearable unit to provide universal access to multiple devices from the wireless mTDS. Non-disabled subjects participated in multiple studies to find the efficacy of mTDS in comparison to gold standards, and people with tetraplegia to evaluate technology learning abilities. Significant improvements are observed in terms of increasing accuracy and speed while doing different computer access and wheelchair mobility tasks. Thus, with sufficient learning of mTDS, it is feasible to reduce the performance gap between a non-disabled and a person with tetraplegia compared to the existing ATs.Ph.D

User Based Development and Test of the EXOTIC Exoskeleton:Empowering Individuals with Tetraplegia Using a Compact, Versatile, 5-DoF Upper Limb Exoskeleton Controlled through Intelligent Semi-Automated Shared Tongue Control

This paper presents the EXOTIC- a novel assistive upper limb exoskeleton for individuals with complete functional tetraplegia that provides an unprecedented level of versatility and control. The current literature on exoskeletons mainly focuses on the basic technical aspects of exoskeleton design and control while the context in which these exoskeletons should function is less or not prioritized even though it poses important technical requirements. We considered all sources of design requirements, from the basic technical functions to the real-world practical application. The EXOTIC features: (1) a compact, safe, wheelchair-mountable, easy to don and doff exoskeleton capable of facilitating multiple highly desired activities of daily living for individuals with tetraplegia; (2) a semi-automated computer vision guidance system that can be enabled by the user when relevant; (3) a tongue control interface allowing for full, volitional, and continuous control over all possible motions of the exoskeleton. The EXOTIC was tested on ten able-bodied individuals and three users with tetraplegia caused by spinal cord injury. During the tests the EXOTIC succeeded in fully assisting tasks such as drinking and picking up snacks, even for users with complete functional tetraplegia and the need for a ventilator. The users confirmed the usability of the EXOTIC

Earables: Wearable Computing on the Ears

Kopfhörer haben sich bei Verbrauchern durchgesetzt, da sie private Audiokanäle anbieten, zum Beispiel zum Hören von Musik, zum Anschauen der neuesten Filme während dem Pendeln oder zum freihändigen Telefonieren. Dank diesem eindeutigen primären Einsatzzweck haben sich Kopfhörer im Vergleich zu anderen Wearables, wie zum Beispiel Smartglasses, bereits stärker durchgesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Klasse von Wearables herausgebildet, die als "Earables" bezeichnet werden. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie in oder um die Ohren getragen werden können. Sie enthalten verschiedene Sensoren, um die Funktionalität von Kopfhörern zu erweitern. Die räumliche Nähe von Earables zu wichtigen anatomischen Strukturen des menschlichen Körpers bietet eine ausgezeichnete Plattform für die Erfassung einer Vielzahl von Eigenschaften, Prozessen und Aktivitäten. Auch wenn im Bereich der Earables-Forschung bereits einige Fortschritte erzielt wurden, wird deren Potenzial aktuell nicht vollständig abgeschöpft. Ziel dieser Dissertation ist es daher, neue Einblicke in die Möglichkeiten von Earables zu geben, indem fortschrittliche Sensorikansätze erforscht werden, welche die Erkennung von bisher unzugänglichen Phänomenen ermöglichen. Durch die Einführung von neuartiger Hardware und Algorithmik zielt diese Dissertation darauf ab, die Grenzen des Erreichbaren im Bereich Earables zu verschieben und diese letztlich als vielseitige Sensorplattform zur Erweiterung menschlicher Fähigkeiten zu etablieren. Um eine fundierte Grundlage für die Dissertation zu schaffen, synthetisiert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik im Bereich der ohr-basierten Sensorik und stellt eine einzigartig umfassende Taxonomie auf der Basis von 271 relevanten Publikationen vor. Durch die Verbindung von Low-Level-Sensor-Prinzipien mit Higher-Level-Phänomenen werden in der Dissertation anschließ-end Arbeiten aus verschiedenen Bereichen zusammengefasst, darunter (i) physiologische Überwachung und Gesundheit, (ii) Bewegung und Aktivität, (iii) Interaktion und (iv) Authentifizierung und Identifizierung. Diese Dissertation baut auf der bestehenden Forschung im Bereich der physiologischen Überwachung und Gesundheit mit Hilfe von Earables auf und stellt fortschrittliche Algorithmen, statistische Auswertungen und empirische Studien vor, um die Machbarkeit der Messung der Atemfrequenz und der Erkennung von Episoden erhöhter Hustenfrequenz durch den Einsatz von In-Ear-Beschleunigungsmessern und Gyroskopen zu demonstrieren. Diese neuartigen Sensorfunktionen unterstreichen das Potenzial von Earables, einen gesünderen Lebensstil zu fördern und eine proaktive Gesundheitsversorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation ein innovativer Eye-Tracking-Ansatz namens "earEOG" vorgestellt, welcher Aktivitätserkennung erleichtern soll. Durch die systematische Auswertung von Elektrodenpotentialen, die um die Ohren herum mittels eines modifizierten Kopfhörers gemessen werden, eröffnet diese Dissertation einen neuen Weg zur Messung der Blickrichtung. Dabei ist das Verfahren weniger aufdringlich und komfortabler als bisherige Ansätze. Darüber hinaus wird ein Regressionsmodell eingeführt, um absolute Änderungen des Blickwinkels auf der Grundlage von earEOG vorherzusagen. Diese Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung, welche sich nahtlos in das tägliche Leben integrieren lässt und tiefere Einblicke in das menschliche Verhalten ermöglicht. Weiterhin zeigt diese Arbeit, wie sich die einzigarte Bauform von Earables mit Sensorik kombinieren lässt, um neuartige Phänomene zu erkennen. Um die Interaktionsmöglichkeiten von Earables zu verbessern, wird in dieser Dissertation eine diskrete Eingabetechnik namens "EarRumble" vorgestellt, die auf der freiwilligen Kontrolle des Tensor Tympani Muskels im Mittelohr beruht. Die Dissertation bietet Einblicke in die Verbreitung, die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort von EarRumble, zusammen mit praktischen Anwendungen in zwei realen Szenarien. Der EarRumble-Ansatz erweitert das Ohr von einem rein rezeptiven Organ zu einem Organ, das nicht nur Signale empfangen, sondern auch Ausgangssignale erzeugen kann. Im Wesentlichen wird das Ohr als zusätzliches interaktives Medium eingesetzt, welches eine freihändige und augenfreie Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. EarRumble stellt eine Interaktionstechnik vor, die von den Nutzern als "magisch und fast telepathisch" beschrieben wird, und zeigt ein erhebliches ungenutztes Potenzial im Bereich der Earables auf. Aufbauend auf den vorhergehenden Ergebnissen der verschiedenen Anwendungsbereiche und Forschungserkenntnisse mündet die Dissertation in einer offenen Hard- und Software-Plattform für Earables namens "OpenEarable". OpenEarable umfasst eine Reihe fortschrittlicher Sensorfunktionen, die für verschiedene ohrbasierte Forschungsanwendungen geeignet sind, und ist gleichzeitig einfach herzustellen. Hierdurch werden die Einstiegshürden in die ohrbasierte Sensorforschung gesenkt und OpenEarable trägt somit dazu bei, das gesamte Potenzial von Earables auszuschöpfen. Darüber hinaus trägt die Dissertation grundlegenden Designrichtlinien und Referenzarchitekturen für Earables bei. Durch diese Forschung schließt die Dissertation die Lücke zwischen der Grundlagenforschung zu ohrbasierten Sensoren und deren praktischem Einsatz in realen Szenarien. Zusammenfassend liefert die Dissertation neue Nutzungsszenarien, Algorithmen, Hardware-Prototypen, statistische Auswertungen, empirische Studien und Designrichtlinien, um das Feld des Earable Computing voranzutreiben. Darüber hinaus erweitert diese Dissertation den traditionellen Anwendungsbereich von Kopfhörern, indem sie die auf Audio fokussierten Geräte zu einer Plattform erweitert, welche eine Vielzahl fortschrittlicher Sensorfähigkeiten bietet, um Eigenschaften, Prozesse und Aktivitäten zu erfassen. Diese Neuausrichtung ermöglicht es Earables sich als bedeutende Wearable Kategorie zu etablieren, und die Vision von Earables als eine vielseitige Sensorenplattform zur Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten wird somit zunehmend realer

Acoustic and perceptual assessment of stop consonants produced by normal and dysarthric speakers

Thesis (Ph.D.)--Harvard--Massachusetts Institute of Technology Division of Health Sciences and Technology, 2000.Includes bibliographical references (p. 286-290).by Kelly Lynn Poort.Ph.D

Computerised dental charting of Malaysian armed forces personnel for dental practice management and forensic dental identification

Forensic dental identification has been acknowledged as the single most useful method and the most consistently reliable means for the identification of both living persons and human remains. Since the availability, quality and accuracy of dental records in the Malaysian Armed Forces is currently inadequate, this study has explored the potential role of computers in dentistry with particular emphasis on their application in forensic situations for the Malaysian Armed Forces. The approach to this problem has involved the design of a software programme to integrate a dental clinical management system and the requirements of the forensic dental identification process within the Malaysian Armed Forces. The role of the software programme will therefore include provision of Departmental Management Records, Dental Clinical Records and Utilities (correspondence, statistical analysis and inventory systems) and a system for forensic dental identification. This former function is designed to be complimentary to the Dental Clinic Management System. The Forensic Dental Identification System is designed to retrieve ante-mortem dental data and effect comparisons with post-mortem dental findings for the purpose of forensic dental identification in both routine cases and mass disaster situations. The current status of dental clinic management systems and computer assisted forensic dental identification programmes were reviewed. This was followed by the development of relevant computer software which can readily be used for the computerisation of dental records within the Malaysian Armed Forces and for forensic identification when required. Finally, suggestions are made for future computer applications in the Malaysian Armed Forces Dental Services.Thesis (MDS) -- University of Adelaide, Dept. of Dentistry, 199