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Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde ein Triangulations-Algorithmus basierend auf dem Marching Cube Algorithmus konzeptioniert und implementiert. Der Algorithmus soll in der Software für die Strahlentherapieplanung VIRTUOS verwendet werden und die speziellen Anforderungen dieser Software erfüllen. Diese sind im Kapitel 1.3 beschrieben. Der Algorithmus soll eine Triangulation von Konturen mit Subpixel-Auflösung mit dem Marching Cube Verfahren ermöglichen. Diese Triangulation soll kanten- bzw. punkterhaltend sein. Somit darf sich die Position existierender Konturpunkte nicht ändern. Die Anzahl der erzeugten Dreiecke soll möglichst gering sein. Des Weiteren soll der Algorithmus in seiner Performanz optimiert sein. Die Implementierung des in dieser Arbeit beschriebenen Algorithmus ist wie VIRTUOS in C/C++ geschrieben und soll die bisherige Delaunay Triangulation ablösen.
Augmented Reality Anwendungen können in der Medizin Eingriffe erleichtern, beispielsweise durch intraoperative Projektion von Zugangswegen oder Tumo-ren und Risikostrukturen auf den Patienten. Gründe, weshalb die Verwendung von Augmented Reality noch keinen Einzug in den Operationssaal gefunden hat, sind unter anderem eine erschwerte Tiefenwahrnehmung der virtuellen Objekte in der echten Szene und fehlende Möglichkeiten, um die Fülle der zusätzlich visualisierten Objekte zu kontrollieren. Diesen Hindernissen entgegenzutreten ist das Ziel dieser Arbeit. Weiterhin gehört eine echtzeitfähige Implementierung zu den Anforderungen dieser Arbeit, um die Visualisierung im Rahmen eines Projektes zu nutzen, welches Augmented Reality auf mobilen Geräten direkt am Patienten zeigt. Um diese Ziele zu erreichen, wurde zunächst eine Texturprojektion kombiniert mit einem selbstentwickelten Grafikkartenprogramm realisiert, um dem Betrachter die Orientierung innerhalb der Augmented Reality Szene zu erleichtern und die Berechnung der perspektivischen Projektion der Textur zugleich effizient zu halten. Um die Tiefenwahrnehmung in der Szene zu verbessern, wurde ein weiteres Grafikkartenprogramm entwickelt, welches in eine gegebene Oberfläche eine Öffnung zeichnet, durch welche der Betrachter in das Innere des Patienten blicken kann. Weiterhin wurde ein Konzept umgesetzt, mit dessen Hilfe die Anzahl an abgebildeten Objekten in der Augmented Reality Szene gesteuert werden kann. Dieses Konzept dient außerdem der Untergliederung von Objekten in verschiedene Familien, für die dann unterschiedliche Darstellungen umgesetzt werden können. Ergebnis ist sowohl eine sichtbar verbesserte Tiefenwahrnehmung als auch ein Konzept zur Kontrolle der Fülle an abgebildeten Informationen in einer echtzeitfähigen Implementierung.
1.1 Gegenstand und Motivation Jeder von uns, der schon mal im Krankenhaus war und ein paar Tage dort verbringen musste, weiß wie einseitig und monoton der Alltag in solchen sterilen Räumen aus-sieht. Und wie froh man ist den ersten Schritt aus dem Krankenhaus zu machen, sich wieder mit Freunden zu treffen und den Alltag zu genießen. Nun gibt es auch schwer erkrankte Menschen, die dem Krankenhaus Alltag nicht nach ein paar Tagen entgehen können. Sie sind oft monatelang, ja sogar jahrelang, ans Kran-kenhaus gebunden. Besonders für Kinder und Jugendliche ist diese Situation ein großes Problem. Oft wird man von einem auf den nächsten Augenblick aus dem Alltag und dem sozialen Umfeld herausgerissen. Selbst, der bis dato doch nervende Schulalltag, fängt einem an zu feh-len. An das Beisammen sein mit Freunden im Klassenzimmer, oder auf dem Schulhof, ist auf einmal nicht zu denken. Stattdessen ist man an ein Krankenhausbett gefesselt und ist von medizinischen Geräten umgeben. Die Stiftung „Große Hilfe für kleine Helden“ will durch das Projekt „virtuelles Klas-senzimmer“ den erkrankten Schülern den virtuellen Besuch des Schulunterrichts ermög-lichen und somit auch den Kontakt mit Mitschülern und die sozialen Bindungen in ers-ter Linie zu pflegen und zu erhalten. Als Fundament für diese Arbeit dient die Abschlussarbeit „Konzeption und Implemen-tierung eines virtuellen Klassenzimmers für schwer erkrankte Kinder und Jugendliche mit Hilfe eines Telepräsenzrobotors“ von Frau Konstantina Georgiadou [3], welche auch den aktuellen Stand des Projekts beschreibt. Eine Überarbeitung des Projekts ist notwendig, da die Multimediale Hardware (Sound / Kamera / Mikrofone) immer noch kabelgebunden ist und somit die nötige Bewegungsfreiheit für den Telepräsenzroboter im Klassenzimmer oder dem Schulhof fehlt. 1.2 Problemstellung und Zielsetzung Zwar hat das Projekt beachtliche Schritte nach vorn gemacht, dennoch gibt es noch zahlreiche Probleme die zu bewältigen sind. Im Rahmen der Abschlussarbeit von Frau Georgiadou wurde ein Roboter Kit namens TurtleBot2 angeschafft. Das Kit beinhaltet eine Kobuki Basis, sowie eine Microsoft Kinect und ein ROS- kompatibles Netbook. Die vorhandene Hardware erweist sich als problematisch, da sie einige Hürden und Hindernisse darstellt die in dieser Abschlussarbeit eliminiert werden sollen. Das Projekt hat also nach diesem Stand eine große Schwäche. Die externen Geräte sind alle kabelgebunden. So benötigen die Station des mobilen Mikrofons, sowie die Audio-box eine externe Stromversorgung. Auch die Kamera, welche über das Netzwerk mittels LAN-Kabel fungiert, schränkt die Mobilität des TurtleBot2 erheblich ein. Da diese von Router und Steckdose abhängt. Ein ähnliches Problem liegt auch bei den Lautsprechern vor, diese sind ebenfalls von einer externen Steckdose abhängig. Das Ziel dieser Arbeit ist es, in erster Linie die eingeschränkte Mobilität des Turtle-Bot2, welche durch die kabelgebunden Geräte verursacht wird, zu beseitigen. Es sollen neue Hardware und Verbesserungsvorschläge für die medialen Probleme gefunden wer-den, wobei die Qualität von Ton und Bild nicht leiden dürfen. Ebenfalls soll eine An-richtung bzw. Verbesserungsvorschlag für den Schüler gefunden werden, welches ihm das Halten des Laptops erspart. Insgesamt soll sich der TurtleBot2 frei im Raum bewe-gen können und dem Schüler im Krankenhaus somit eine verbesserte Integration in die Normalität bzw. den Alltag ermöglichen.
Die chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD) schränkt in ihren letzten Stadien die Lebensqualität der Patienten schwerwiegend ein und die einhergehenden Verschlechterungen des Gesundheitszustandes (Exazerbationen) können zum Tode führen. Für die Versorgung von COPD-Patienten im häuslichen Umfeld und Unterstützung im Alltag existieren bereits mobile und technische Geräte. Um eine weitergehende Unterstützung bedarfsgerecht zu planen, müssen Bedürfnisse der Patienten ermittelt und bereits existierende Lösungen zur COPD im Bereich Ambient Assisted Living (AAL) untersucht werden. Daraus können Anforderungen an eine elektronische Gesundheitsakte (eGA) zur Unterstützung von COPD-Patienten abgeleitet werden. Zur Ermittlung der Bedürfnisse wurden Vorgespräche mit COPD-Patienten geführt um einen Interviewleitfaden entwickeln zu können. Der Interviewleitfaden war Grundlage für semi-strukturierte Interviews mit Patienten der Medizinischen Klinik V des Universitätsklinikums des Saarlandes, die an den Untersuchungstagen zu einem Interview bereit waren. Insgesamt wurden zehn Patienten interviewt, zwei Frauen und acht Männer. Anhand der Ergebnisse aus den Interviews konnten wesentliche Bedürfnisse der COPD-Patienten ermittelt werden. Diese sind: Dauerhafter Erhalt von Informationen über die COPD; Kontakt zu Bekannten, Verwandten, Freunden und anderen COPD-Patienten; Mehr nichtmedikamentöse Behandlung; Sofortiger Einblick in die persönlichen medizinischen Daten. Sehr wichtig ist den COPD-Patienten auch, dass sie selbstständig Alltagstätigkeiten meistern können, beziehungsweise Unterstützung bei der Durchführung erhalten und sich in den eigenen vier Wänden sicher fühlen.
In der heutigen Zeit ist es auch für Ärzte nicht immer trivial, diagnostisch präzise Entscheidungen auf Grund von modernsten medizinischen bildgebenden Verfahren zu treffen. Die vorliegende Bachelor-Thesis befasst sich damit wie man eine Software-anwendung mit Hilfe der Support Vector Machine (SVM), eine Technik des maschi-nellen Lernens, in ein bestehendes Framework wie z.B. MITK implementieren kann, um so vollautomatische Tests von Lebertumorsegmenierungen durchführen zu kön-nen. Durch die zusätzliche Integration einer Testklasse wird die entwickelte SVM validiert, um ein möglichst hohes Klassifikationsergebnis zu erreichen. Die in der Thesis entwickelte Softwarekomponente hat gezeigt, dass eine vollautomatische Segmentierung von Lebertumoren bei Patienten in zufriedenstellendem Maße möglich ist.
Während der Therapie unbewegte Tumore lassen sich durch eine gezielte Bestrahlung präzise behandeln, bei gleichzeitiger Schonung des umliegenden Gewebes. Lässt sich eine Bewegung des Tumors während einer Bestrahlung aber nicht vermeiden, so werdenVerfahren benötigt, die eine solche Bewegung kompensieren. Diese Arbeit stellt einen Multi-Template-Ansatz vor, der eine direkte Bewegungserkennung des Tumors während der Bestrahlung ermöglicht. Um zu jeder Zeit eine individuelle und exakte Tumorposition zu erhalten, wurde ein bereits bestehendes System um eine Positionsbestimmung des Tumors innerhalb der Templates erweitert. Anschließend wurde ein Matching-Algorithmus in das System integriert. Die Ergebnisse wurden anhand eines Phantom- und Patientendatensatzes evaluiert und auf eine Eignung für ein Gating- oder Tracking- Verfahren überprüft.
Die Identifizierung von Angehörigen der Hochschule Heilbronn erfolgt in der Regel
über die Kombination aus Benutzername und Passwort. In verschiedenen Einsatzgebieten,
wie z.B. an einer Parkschranke, ist eine Eingabe der Benutzermerkmale nicht
möglich oder hinderlich. Hierfür soll die Mensakarte des Studentenwerks Heidelberg
als identifizierendes Merkmal erschlossen werden. Dies macht die Verknüpfung von
Benutzerkonto und Karte notwendig.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden zunächst verschiedene Umsetzungsmöglichkeiten
für mobile Anwendungen zur Verknüpfung von Benutzer und Karte unter Verwendung
der NFC-Technologie analysiert und ausgewertet. Anschließend wird ein
funktionaler Prototyp für Smartphones der Android-Plattform entwickelt, der die einfache
Einbindung weiterer Funktionalität ermöglichen soll.
Der entwickelte Prototyp ist im Hochschulnetz testweise für die Registrierung und
Deregistrierung von NFC-Karten einsetzbar. Vor einer realen Nutzung des Systems
müssen der Datenschutz und andere organisatorische und rechtliche Pflichten, wie
zum Beispiel das Telemediengesetz, berücksichtigt werden.
Im Rahmen eines Kooperationsprojektes zwischen dem Heidelberger Institut für Medizinische Informatik und Biometrie (IMBI) und der Mund- Kiefer und Gesichtschirurgie (MKG) des Universitätsklinikums Heidelberg soll ein MITK-Plugin für die Segmentierung von knöchernen Strukturen aus Schichtbilddaten der Computertomographie (CT), sowie der digitalen Volumentomographie (DVT) mit möglichst wenigen Nutzerinteraktionen entwickelt und evaluiert werden.
Hierbei ist insbesondere eine hohe Segmentierungsqualität im Bereich des Kiefers und der Zähne relevant. Dabei erweisen sich Zahnspangen bzw. Zahnfüllungen als besondere Herausforderung. Die Arbeit, sowie das MITK-Plugin behandelt drei Aufgabenbereiche. Es handelt sich dabei um die Metallartefaktreduktion (MAR), Segmentierung und Oberflächenrekonstruktion. Die bildbasierte Artefaktreduktion kann auf CT-Datensätze entweder manuelle oder automatisch angewendet werden. Dabei stehen zwei verschiedene Methoden zur Auswahl. Es handelt sich dabei um die lineare Interpolation (LI) und die rohdatenfreien MAR (RFMAR). Ziel der Artefaktreduktion ist eine verbesserte 3D-Visualisierung. Dabei zeigen die Methoden stellenweise eine Verbesserung durch reduzierte schwarzer Schatten im Bereich der Metalle. Problematisch wirken sich neue Artefakte, welche durch die Reduktion enstehen, auf das Ergebnis der 3D-Visualierung aus. Für die Segmentierung sind zwei Verfahren implementiert worden. Es handelt sich dabei um ein eigenes automatisches Verfahren LCC (Largest Connected Component), und um einen Region Grower. Das automatische Verfahren ist hierbei robust gegenüber einer ungewollt segmentierten Patientenliege, hat aber den Nachteil dass unter Umständen nicht alle knöchernen Strukturen segmentiert werden. Für diesen Fall kann der Region Grower eingesetzt werden, welcher durch Benutzerinteraktion den Nachteil des LCC-Verfahrens ausgleicht. Die Verfahren zeigen im Bezug auf CT-Datensätze gute Ergebnisse. Durch den schlechten Knochenkontrast des verwendeten DVT-Gerätes müssen bei der Segmentierung der DVT-Datensätze Kompromisse eingegangen werden. Durch eine Histogramm-Analyse hat sich für die automatische Schwellwertbestimmung nach Otsu eine Mindestanzahl von drei Otsu-Schwellwerten ergeben. Weiterhin wurde das LCCVerfahren gegenüber einer Referenzsegmentierung eines MKG-Chirurgen evaluiert. Die Evaluierung zeigt, dass die Wahl zwischen drei und sechs Otsu-Schwellwerte keine signifikanten Auswirkungen auf die Genauigkeit der Segmentierung hat. Durch einen Kompromiss zwischen Laufzeit und Segmentierungsqualität wird die Verwendung von vier Otsu-Schwellwerten empfohlen.
In dieser Arbeit wird eine Software entwickelt, um das Koppeln des Thalmic MYOArmbands
mit dem Stimulator MotionStim8 zu vereinfachen. In einer vorherigen Arbeit
[15] wurden für die Kopplung MATLAB Skripte benutzt. Diese sollen durch die
Software vollständig ersetzt werden. Auÿerdem soll der Stimulator eine drahtlose Anbindung
über zwei British Broadcasting Corporation (BBC) micro:bit Systeme erhalten.
Dazu wird zuerst eine Anforderungsanalyse durchgeführt, woraus konkrete UseCases der
Software formuliert werden konnten. Hierzu werden aus der Problemstellung und den
daraus resultierenden Zielen dieser Arbeit Funktionale und nicht-Funktionale Anforderungen
extrahiert. Es müssen Gesten, sowie deren Myo- und Stimulations-Daten verwaltet
werden können. Auch müssen sowohl Myo-Armband als auch MotionStim8 drahtlos
angebunden, sowie gekoppelt werden.
Nachdem die Anforderungen feststehen, wird ein Konzept zur Umsetzung entwickelt.
Dazu wird eine Entwicklungsumgebung gewählt und eine Softwarearchitektur ausgearbeitet.
Es wird ein Model-View-Controller (MVC)-Modell angestrebt. Für die Entwicklungsumgebung
der Steuersoftware wird VisualStudio, bzw. C#, und für die drahtlos
Anbindung Mu, bzw. MicroPython, verwendet. Auch wird eine Übersicht über die Komponenten
angefertigt. Daraus sind die Hardware-Schnittstellen, PC zu micro:bit, micro:
bit zu micro:bit, micro:bit zu MotionStim8, sowie Myo-Armband zu PC, ableitbar.
Für das Myo-Armband existieren bereits Software-Bibliotheken, welche eingebunden werden
können und somit das Entwickeln einer eigenen Schnittstelle nicht notwendig machen.
Zum Schluss der Konzeption werden Ideen für eine Benutzeroberäche erarbeitet. Dafür
werden die Nicht-Funktionalen Anforderungen, modularer Aufbau sowie Benutzerfreundlichkeit
und Übersichtlichkeit, aus der Anforderungsanalyse aufgegrien. In dieser Phase
werden bereits erste MockUps erstellt.
Die Implementierung ndet in zwei Schritten statt.
Die Drahtlosfunktion, bzw. der Python-Teil, kann separat entwickelt werden. Dafür werden
die seriellen Schnittstellen, PC zu micro:bit und micro:bit zu MotionStim8, sowie
die Übertragung zwischen den beiden micro:bits implementiert. Auÿerdem werden die
Befehle im micro:bit an die benötigte Command Structure des Stimulators angepasst.
Die Steuersoftware beinhaltet eine Graphical User Interface (GUI) mit modulübergreifenden
Funktionen. Die einzelnen Module, Myo Controller, Stimulation Controller und
Gesture Controller besitzen ihre eigene Oberäche und können in die GUI modular integriert
werden. Die Gesten-, Myo- und Stimulations-Daten können über das jeweilige
Modul verwaltet werden. Über das Beenden der Anwendung hinaus werden alle Daten
in einer Extensible Markup Language (XML)-Datei gespeichert. Die Kopplung des Myo-
Armbands mit dem MotionStim8 ndet über einen Mapper statt, welcher eine Mapping-
Matrix für eine Geste errechnet. Dafür müssen vorab Myo- und Stimulations-Daten für
jede Position dieser Geste gesetzt werden. Die Echtzeitfunktion wird übergeordnet über
die GUI gestartet und berechnet für eingehende Myo-Daten die Pulsweiten für die Stimulation.
Für diese Berechnung wird die Mapping-Matrix benötigt.
Hiernach kann die entwickelte Steuersoftware für die denierten Anforderungen, bzw.
UseCases, verwendet werden.
Für die fortwährende Optimierung von Behandlungsstrategien im Bereich der Strahlentherapie ist es notwendig, Behandlungspläne strukturiert miteinander zu vergleichen. Um die vielfältigen Datenmengen, die sich im Rahmen großer und übergreifender Forschungsprojekte, wie etwa dem ULICE-Projekt [18] ergeben, suffizient auswerten zu können, ist ein leichter Zugriff für alle Projektteilnehmer erstrebenswert. Dieser kann beispielsweise durch den Einsatz einer Telemedizinakte, wie sie z.B. von der Firma CHILI GmbH angeboten wird, erfolgen. Die Telemedizinakte muss unbedingt in der Lage sein, das Datenformat, in dem Therapiepläne abgespeichert werden (DICOM RT), zu verarbeiten. Daher wurde im ersten Schritt dieser Arbeit analysiert, welche Informationen im Rahmen eines DICOM RT Viewing Moduls im CHILI-PACS dargestellt werden können. Als zentrale Aufgabe wurde die Darstellung des Dosis-Volumen-Histogramms (DVH) ermittelt, für dessen Berechnung es Module für die Darstellung der segmentierten Strukturen (RT Structure Set) und die Dosisverteilung (RT Dose) geben muss. Außerdem soll es zu einem späteren Zeitpunkt leicht möglich sein, weitere Module für die Anzeige der übrigen DICOM RT Objekte zu integrieren. Nach der Spezifikation der geforderten Funktionalität wurde ein Konzept für deren Umsetzung erstellt und mit der Implementierung einer der Kernfunktionen begonnen. Durch diese Implementierung soll es anderen Programmierern erleichtert werden, das gewählte Konzept nachzuvollziehen und das DICOM RT Viewing Modul des CHILI-PACS entsprechend erweitern und anpassen zu können, bis letztendlich ein homogenes und vollständiges Gesamtsystem entsteht. Durch die Umsetzung eines Moduls zur Darstellung von RT Structure Sets ist es jetzt möglich, sich die segmentierten Strukturen eines DICOM RT Datensatzes im CHILIPACS anzeigen zu lassen. Es können gezielt einzelne Strukturen an- und abgewählt und deren Konturfarbe geändert werden. Die Darstellung der Konturen ist für die Axial-, die Coronal- und die Sagittalebene möglich. Eine Überprüfung der Funktionalität wurde mit den zur Verfügung stehenden DICOM RT Testdatensätzen durchgeführt.