Refine
Year of publication
Document Type
- Master's Thesis (63) (remove)
Has Fulltext
- yes (63)
Is part of the Bibliography
- no (63)
Keywords
- Entwicklung (8)
- Evaluation (5)
- Analyse (4)
- Anwendung (4)
- Implementierung (4)
- Application (3)
- Konzeption (3)
- Segmentierung (3)
- Software (3)
- Tumor (3)
Institute
- Medizinische Informatik (45)
- Informatik (15)
- Bibliothek (2)
- Mechanik und Elektronik (1)
Virtuelle und reale Objekte als natürliche Bewegungsgrenzen in der Virtual Reality Exposure Therapy
(2019)
Zur Behandlung von Angststörungen – welche mit zu den häufigsten psychischen Erkrankungen in Deutschland gehören – bietet die klassische Expositionstherapie gute Erfolgsaussichten [1]. In den letzten Jahren entwickelte sich die Virtual Reality Exposure Therapy (VRET), welche eine interessante Alternative darstellt. Eine Studie zeigte 2013 die Effektivität einer VRET [2]. Problematisch ist allerdings die Lokomotion in psychotherapeutischen Praxen mit geringem Raumangebot. Gängige Sicherheitssysteme zur Kollisionsvermeidung wie Lighthouse‘s Chaperone [3] [4] oder Occulus Guardian [5] zeigen bei Annäherung an die Grenzen des sicheren Bereiches eine auffällige optische Warnung an. Dies kann jedoch bei den Benutzern zu unerwünschten Präsenzeinbrüchen (breaks in presence) führen.
Simeone et al. [6] konnten nachweisen, dass in einer virtuellen Umgebung rein virtuelle Gegenstände oder Wände von den Benutzern als real wahrgenommen und umgangen werden. Dieser Effekt liess sich durch zusätzliche reale Gegenstände im Raum noch verstärken.
In dieser Masterarbeit wurde untersucht, ob sich die Ergebnisse von Simeone et al. [6] auch auf die Anwendung der VRET übertragen lassen.
Dazu wurde eine Studie mit 2 Gruppen zu je 12 Probanden durchgeführt. Alle hielten 2 Vorträge in einer virtuellen Umgebung, je einen Vortrag mit Avatar und einen ohne. Während eine Gruppe sich in einer virtuellen Umgebung mit ausschliesslich virtuellen Objekten bewegte, waren in der anderen Gruppe zusätzlich reale Gegenstände vorhanden.
In der vorliegenden Masterarbeit konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse von Simeone et al. [6] auch für VRET Anwendungen gültig sind. Virtuelle Objekte werden auch von Patienten eines VRET Systems als Begrenzungen akzeptiert. Zudem lassen sich physische Objekte in die virtuelle Umgebung integrieren, ohne dass es zu Kollisionen mit den Benutzern kommt oder die Benutzer eine erhöhte Angst vor Kollisionen haben. Obwohl das Vorhandensein eines Avatars in der durchgeführten Studie keinen Einfluss auf die Ergebnisse hatte, wünschen sich die Benutzer einen Avatar in der VR.
Der sichere Aufenthaltsbereich kann also bereits in der virtuellen Umgebung durch virtuelle Objekte abgegrenzt werden, wodurch - zugunsten der Vermeidung von Präsenzeinbrüchen - auf ein System wie Lighthouse`s Chaperone [3] [4] verzichtet werden kann. Ausserdem müssen reale Gegenstände nicht aus dem Bewegungsbereich der Benutzer ausgeschlossen werden, sondern lassen sich in die virtuelle Umgebung integrieren. Dies stellt eine praktikable Möglichkeit dar, den für VRET nutzbaren Raum in psychotherapeutischen Einrichtungen zu optimieren. Somit stellt die VRET eine echte Alternative zur klassischen Expositionstherapie dar.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung eines Verfahrens für das Erzeugen
von möglichst realitätsnahen Telepräsenzsimulationen für die Information von Patienten
in der Strahlentherapie sowie die Anwendung des Verfahrens in der Entwicklung
einer VR-Applikation auf Basis eines Demonstrators.
Nach einer Literaturrecherche bezüglich des aktuellen Stands der Aufklärung von Patienten
wurden die Grundlagen von Virtual und Augmented Reality hinsichtlich der
gegebenen Hardware ermittelt. Hierauf folgte die Auswahl von Software für das Scannen
von realen Objekten mit dem gegebenen Tablet in einem Bestrahlungsraum des
DKFZ sowie die Auswahl einer Game Engine für die Entwicklung des Demonstrators.
Daraufhin wurde ein Rekonstruktionsalgorithmus ausgewählt. Anschließend wurden
verschiedene Objekte im Bestrahlungsraum gescannt, sodass die Parameter des Algorithmus
iterativ hinsichtlich der Qualität der erzeugten Objekte für den Einsatz in
einer VR-Anwendung optimiert werden konnten. Daraufhin erfolgte eine Texturierung
der Oberfläche mit Kamerafotos. Nach einer Aufbereitung der Modelle wurden diese
in ein Virtual Environment importiert. Parallel dazu wurde nach der Auswahl der Unreal
Engine als Game Engine, der Demonstrator entwickelt, in welchen die gescannten
Modelle integriert wurden.
Das Verfahren liefert ausreichend genaue Ergebnisse, um Konzepte in der Strahlentherapieaufklärung
vermitteln zu können. Der Effekt und die Akzeptanz der Technik
spielen eine weitere wichtige Rolle für den Einsatz der Methodik und müssen durch eine
Evaluation im klinischen Alltag validiert werden, wofür die Entwicklung einer klinisch
anwendbaren Software auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse notwendig wird.
Viele schwerstkranke Patienten hegen den Wunsch die letzte Zeit ihres Lebens im häuslichen Umfeld, statt im Krankenhaus zu verbringen. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist eine gute Kommunikation zwischen allen Beteiligten des Versorgungsprozesses, damit ambulante und stationäre Versorgung gut aufeinander abgestimmt werden können. Derzeit gibt es nur wenige strukturierte Untersuchungen, welche Informationsbedürfnisse die im Bereich der palliativen Versorgung beteiligten Akteure besitzen und ob und in wieweit diese mit mobilen Anwendungen unterstützt werden können. Die vorliegende Arbeit untersucht, welche Akteure hauptsächlich am Prozess der palliativen Versorgung sowohl im ambulanten als auch im stationären Umfeld beteiligt sind und welche Informationsbedürfnisse diese haben. Weiterhin werden bisher verwendete Werkzeuge, Apps und Anwendungssysteme darauf untersucht, inwiefern sie diesen Informationsbedarf erfüllen. Die Untersuchungen basieren auf einer systematischen Literaturrecherche sowie Hospitationen in drei verschiedenen palliativen Einrichtungen: einer spezialisierten ambulanten Palliativversorgungs Einheit in Buchen im Odenwald, einer Palliativ-Station in Heidelberg sowie einer Palliativ-Einrichtung in Santiago de Chile. Es hat sich herausgestellt, dass die stationären Einrichtungen bereits sehr gute Strukturen für Informationsaustausch und -bereitstellung etabliert haben, diese jedoch im ambulanten Bereich weniger wirksam sind. Gründe hierfür liegen in der größeren örtlichen Distanz und den damit verbundenen längeren Kommunikationswegen im ambulanten Bereich. Ebenso ist bedingt durch den zusätzlichen Fahrtaufwand bei gleicher Patientenzahl und Visitendauer nur eine geringere Anzahl an Visiten möglich. Bisher sind hier aber vor allem die informationsverarbeitenden Prozesse aufgrund der geringen Größe der Einrichtungen und der hohen Individualität der Behandlung wenig automatisiert und automatisierbar. Die für die Palliativversorgung existierenden Softwareprodukte sind hierfür zu umfangreich oder nicht ausreichend adaptierbar. Es hat sich gezeigt, dass der Bedarf an mobiler, technischer Unterstützung vor allem in der ambulanten Palliativversorgung in den Bereichen Dokumentation und Abrechnung, aber auch bei der Bildung und Weiterbildung von Fachpersonal, Patienten und Angehörigen derzeit nicht gedeckt werden kann.
This thesis presents a photmetric stereo method based on the work of Schulze [35], who in turn extended the research of Schroeder et al. [33,34] In this approach, three different lightings are obtained by illuminating the object by three colored light sources (red, green and blue). A video of the subject is captured from the front, the back and the side. The single frames are then extracted from the viedo, which are used for the 3D reconstruction of the subject. The aim of this work was to improve the presented method of Schulze with real patient subjects by getting a better sphere calibration and changing some parameters in the patient processing. As the graphical interface was implemented for persons with a technical background, it has been changed to become also more convenient to use for non-technically oriented staff
Ein Tumor ist eine örtlich umschriebene Zunahme des Gewebevolumens, im engeren
Sinn eine gewebliche Neubildung, ein Geschwür in Form eines enthemmten und
irreversiblen Überschusswachstums von körpereigenem Gewebe [33].
,,In Europa sind 3-5% [...] aller malignen Tumoren des Menschen Tumoren der Mundhöhle,
davon stellen die Plattenepithelkarzinome mit 95% den größten Anteil.” [28].
Nur 25-40% der Patienten mit Lymphknotenmetastasierung erreichen die 5-Jahres-Überlebensrate im Gegensatz zu ca. 90% der Patienten ohne Metastatisierung [29].
Oft werden diese Tumore spät erkannt und müssen deshalb durch eine Operation
entfernt werden. Das Plattenepithelkarzinom kann den Kiefer infiltrieren, die notwendige
Resektion des Tumors kann zu einer Verschlechterung der Ästhetik, zum Verlust der Kaufunktionalität und der Sprechfunktionalität führen.
Im Universitätsklinikum Heidelberg (UKHD) werden verschiedene Verfahren zur
Rekonstruktion angewandt, wie die Rekonstruktion mithilfe der körpereigenen Fibula(dt.Wadenbein), deren Schaft dafür entnommen wird. Aus diesem Schaft werden Segmente gesägt, mit welchen dann der ursprüngliche Verlauf der Mandibula
(dt. Unterkiefer), in dem resezierten Bereich, rekonstruiert wird. Die Rekonstruktion
erfolgt mit einer speziellen Platte auf welcher die Fibulasegmente befestigt werden. Diese Platte wird anschließend am Restunterkiefer fixiert.
Die Schwierigkeit besteht in der Nachbildung des Unterkieferverlaufs und der Erhaltung
des Kiefergelenks. Bei dieser Operation muss die Ischämiezeit, die Zeit, welche ein Organ ohne Blutversorgung schadlos überstehen kann, berücksichtigt
werden. Ohne eine genaue Schnittführung ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass
die gesägten Segmente nachbearbeitet werden müssen, was wiederum ein zeitliches
Problem ist.
Deshalb wird Rekonstruktion mit Cutting-Guides (dt. Sägeschnittschablone) unterstützt. Diese Guides werden nach der Planung der Operation angefertigt. Sie
werden in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (MKG) des UKHD von einem
Zahntechniker hergestellt. Alternativ gibt es industrielle Dienstleister, die diese Guides herstellen können. Diese sind jedoch wesentlich teurer als die in der MKG etablierte Lösung.
Die häufigste Todesursache in Deutschland sind Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems. Zwei häufig auftretende Krankheiten sind Aortenaneurysmen und Aortendissektionen. Für die Diagnose und die computerunterstützte OP-Planung wird eine semantische Annotation der präoperativ akquirierten Bilddaten benötigt. Dies wird herkömmlich durch eine manuelle Segmentierung der betroffenen Strukturen erreicht. Mit Verfahren aus der medizinischen Bildverarbeitung, darunter die deformierbaren Modelle, ist es möglich diese Segmentierung weitgehend zu automatisieren. In dieser Masterarbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das mit Hilfe von deformierbaren Modellen eine automatische Segmentierung der Aorta und Aortenpathologien in 2D-CTA-Aufnahmen ermöglicht. Hierfür wurde ein geeignetes deformierbares Modell identifiziert, welches mit üblichen Störungen von CTA-Aufnahmen zurecht kommt. Das Verfahren ist eine Kombination aus den Dual Snakes und den GVF-Snakes und wird Dual-GVF-Snakes genannt. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass nicht nur das Lumen der Aorta und eines Aortenaneurysmas, sondern auch die zwei Lumen einer Aortendissektion gleichzeitig segmentiert werden können. Realisiert wird dies durch eine Unterteilung der Kontur in Segmente mit unterschiedlichen Eigenschaften. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren wurde zur Segmentierung von Objekten in synthetischen und klinischen Bilder angewendet, wobei die klinischen Bilder die Aorta, ein Aortenaneurysma und verschiedene Aortendissektionen beinhalten. Zur Evaluierung wurde das Verfahren mit den GVF-Snakes und den AB-Snakes verglichen, indem der Abstand zwischen Referenzkonturen und berechneter Konturen ermittelt wurde. Ein Vorteil gegenüber GVF-Snakes ist, dass zwei Objekte segmentiert und voneinander unterschieden werden können. Im Gegensatz zu den GVF-Snakes und den AB-Snakes müssen weniger Parameter eingestellt werden und die Membran zwischen den beiden Lumen der Aortendissektion wird erkannt. Das Verfahren ist robuster gegenüber der Initialisierung und lierfert vergleichbare Ergebnisse wie das GVF-Snakes Verfahren mit gezielter Initialisierung.
Segmentation of the Cerebrospinal Fluid from MRI Images for the Treatment of Disc Herniations
(2010)
About 80 percent of people are affected at some point in their lives by lower back pain, which is one of the most common neurological diseases and reasons for long-term disability in the United States. The symptoms are primarily caused by overly heavy lifting and/or overstretching of the back, leading to a rupture and an outward bulge of an intervertebral disc, which puts pressure on and pinches the nerve fibers of the spine. The most common form is a lumbar disc herniation between the fourth and fifth lumbar vertebra and between the fifth lumbar vertebra and the sacrum. In recent years the diagnosis of lower back pain has improved, mainly due to enhanced imaging techniques and imaging quality, but the surgical therapy remains hazardous. Reasons for this include low visibility when accessing the lumbar area and the high risk of causing permanent damage when touching the nerve fibers. A new approach for increasing patient safety is the segmentation and visualization of the cerebrospinal fluid in the lower lumbar region of the vertebral column. For this purpose a new fully-automatic and a semi-automatic approach were developed for separating the cerebrospinal fluid from its surroundings on T2-weighted MRI scans of the lumbar vertebra. While the fully-automatic algorithm is realized by a model-based searching method and a volume-based segmentation, the semi-automatic algorithm requires a seed point and performs the segmentation on individual axial planes through a combination of a region-based segmentation algorithm and a thresholding filter. Both algorithms have been applied to four T2-weighted MRI datasets and are compared with a gold-standard segmentation. The segmentation overlap with the gold-standard was 78.7 percent for the fully-automatic algorithm and 93.1 percent for the semi-automatic algorithm. In the pathological region the fully-automatic algorithm obtained a similarity of 56.6 percent, compared to 87.8 percent for the semi-automatic algorithm.
Ultraschallbildgebung ist ein in der Medizin häufig verwendetes Verfahren zur Diagnostik und Verlaufskontrolle. Ultraschall bietet vor allem eine große Weichteilauflösung bei gleichzeitig niedrigen Kosten, erfordert aber vom Anwender ein großes Maß an Erfahrung. Aufgrund vieler Artefakte und Verzerrungen in Ultraschallbildern ist die Bildqualität der Bilder deutlich geringer, als die derer, die mittels Magnetresonanztomographie erstellt werden können. Deshalb arbeiten viele verschiedene Forschungsgruppen an der Verbesserung der Modalitäten und Datensätze im Zusammenhang mit Ultraschallbildgebung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines robotergestützten Ultraschalltomographen. Das Gerät ist in der Lage tomographische Bildserien von Phantomen und Weichgewebe zu erstellen, die anschließend dreidimensional visualisiert werden können.
Quantitative assessment of Positron Emission Tomography (PET) imaging can be used for diagnosis and staging of tumors and monitoring of response in cancer treatment. In clinical practice, PET analysis is based on normalized indices such as those based on the Standardized Uptake Value (SUV). Although largely evaluated, these indices are considered quite unstable mainly because of the simplicity of their experimental protocol. Development and validation of more sophisticated methods for the purposes of clinical research require a common open platform that can be used both for prototyping and sharing of the analysis methods, and for their evaluation by clinical users. This work was motivated by the lack of such platform for longitudinal quantitative PET analysis. By following a prototype driven software development approach, an open source tool for quantitative analysis of tumor changes based on multi-study PET image data has been implemented. As a platform for this work, 3D Slicer 4, a free open source software application for medical image computing has been chosen. For the analysis and quantification of PET data, the implemented software tool guides the user through a series of workflow steps. In addition to the implementation of a guided workflow, the software was made extensible by integration of interfaces for the enhancement of segmentation and PET quantification algorithms. By offering extensibility, the PET analysis software tool was transformed into a platform suitable for prototyping and development of PET-specific segmentation and quantification methods. The accuracy, efficiency and usability of the platform were evaluated in reproducibility and usability studies. The results achieved in these studies demonstrate that the implemented longitudinal PET analysis software tool fulfills all requirements for the basic quantification of tumors in PET imaging and at the same time provides an efficient and easy to use workflow. Furthermore, it can function as a platform for prototyping of PET-specific segmentation and quantification methods, which in the future can be incorporated in the workflow.
The e-commerce turnover has a constant growth rate of about 10%. An additional increase
in complexity and traffic spikes clarify the need for a scalable software architecture to prevent
a potential technical debt, higher financial cost, longer maintenance, or a reduced reliability.
Due to the fact, that existing approaches like the Palladio Approach require a high modelling
overhead and the importance of dropping this overhead was identified this master thesis is
focused on the modelling and simulation of e-commerce web application architectures using
a high-level approach to provide a faster, but possibly more inaccurate prediction of the
scalability.
This is done by the usage of the Design Science Research Process as a frame, a scientific
literature review for use of the existing knowledge base and the Conical Methodology for the
artefact creation. The artefact is a graphical model which is evaluated using a simulation
developed with Python and its framework SimPy. For model creation and evaluation a total
of twelve papers investigating the scalability of e-commerce web application architectures is
split into a test and train group. The training group and parts of the scientific research are
used to identify the components load balancer, application server, web tier, ERP system,
legacy system and database as well as some general characteristics that need to be considered.
The components with the most modelling variables are the application server and web
tier with a total of thirteen, while the ERP and legacy system only required five.
The model is evaluated using a total of three papers from the test group, where an average
throughput error of 5.78% and a response time error of 46.55% or 26.46% was identified. An
additional evaluation based on two non-e-commerce architectures shows the usability of the
model for other types of architectures. Even though the average error gives the impression,
that the model is not providing a good estimation, the graphical results show, that the model
and its simulation can be used to provide a faster scalability prediction. The model is least
accurate for the prediction of the situation, where the response time increases exponentially,
as this is the point, where variables, only accountable for some percentage and thus ignored
for the model, have the highest influence.
Future research can be found in the extension of the model by either adding or investigating
additional components, adding features ignored within this work or applying it to other
types of web application architectures. Additionally, both the low-level and the high-level
approaches can be brought together to combine the advantages from both approaches.