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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.
Die Erfassung eines Elektromyogramms (EMG) ist bisher mit großem zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden. Zudem müssen die Elektroden, welche aufgebracht werden, an den richtigen Stellen fixiert werden. Dies ist essentiell und kann nur von Fachpersonal durchgeführt werden. Somit ist es mit großem Aufwand verbunden.
Durch das Myo-Armband [25] der Firma Thalmic Labs hat sich dies zum Positiven geändert, da hier das Armband nur über den Unterarm gestreift werden muss und durch dieses innovative ”Wearable Device” direkt Elektromyographie-Daten erfasst werden können.
Mithilfe dieses Armbands und einer wohl programmierten Schnittstelle, kann damit sogar eine Drohne ferngesteuert werden. Auch eine Prothese kann damit bewegt werden. Das beste Beispiel hierfür ist ,,Johnny Matheny”. Ihm wurde aufgrund von Krebs der linke Arm oberhalb des Ellenbogens amputiert. Speziell für ihn, wurde eine Prothese konstruiert, welche durch zwei Myo-Armbänder am Oberarm gesteuert werden kann. So kann er laut der Website [1] seine Prothese, wie seither seinen Arm, bewegen.
Es wurde zusätzlich die Idee entwickelt, mithilfe dieser erfassbaren Daten ein Elektrostimulationsgerät zu steuern und eine zuvor erfasste Bewegung zu stimulieren. Dies soll mithilfe des Elektrostimulator MotionStim8 [31] der Fa. Kraut + Timmermann, welcher unter anderem in der Rehabilitation von querschnittgelähmten Patienten Anwendung findet, realisiert werden.
Das Ziel der Arbeit sind grundlegende Untersuchungen zur Kopplung des Myo-Armbands [25] mit dem Motionstim8 [31]. Es soll untersucht werden, inwieweit aufbauend auf der Analyse des EMG-Datenstroms oder der vorhandenen Gestenerkennung geeignete Ansteuersignale für den Motionstim8 [31] erzeugt werden können, die z.B. die Übertragung der Geste/Bewegung einer Quell-Hand auf eine Ziel-Hand ermöglichen. Von Interesse ist unter anderem, welche Gesten beziehungsweise Bewegungen sich hierzu eignen, ob die Stimulation kontinuierlicher Bewegungen prinzipiell möglich ist und wie eine effiziente individuelle Kalibrierung für verschiedene Probanden erfolgen kann.
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.
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.
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
Im fortschreitenden Alter fällt es Menschen schwer, regelmäßig Medikamente zum richtigen Zeitpunkt einzunehmen. Oft wird dies durch eine große Anzahl verschiedener Medikamente
noch erschwert, die über den Tag eingenommen werden müssen.
In Zusammenarbeit mit dem Praktikum Informationssysteme/Telemedizinische Anwendungen an der Hochschule Heilbronn wird eine Smartwatch-Anwendung für die Apple Watch entwickelt. Diese basiert stark auf dezenten Benachrichtigungen am Handgelenk. Auch eine native Anwendung, die der Nutzer aktiv bedienen kann, wird erstellt. Die Anwendung ist aufgrund fehlender Prototypen-Werkzeuge für die Apple Watch nativ in Swift realisiert. Hierbei wird auf Swift als relativ neue Programmiersprache eingegangen. Die Evaluierung wird an stationären Patienten im Alter von 70-85 vorgenommen. Die Aussage der Befragung ergibt, dass sich eine Uhr als Medium sehr gut eignet, da sie etwas Vertrautes ausstrahlt. Die touchscreen-basierte Steuerung fällt aufgrund reduzierter sensomotorischer Fähigkeiten der Probanden negativ auf. Während die Benachrichtigung mit einhergehender Vibration sehr gut aufgenommen wird, ist die Interaktion mit der Uhr schwerfällig. Die Patienten haben Probleme eine native Anwendung zu starten. In
Zukunft könnten diese Probleme mit Hilfe von Accessibility Funktionen der Plattform gelöst werden. Weiter bietet die Uhr interessante Anwendungsmöglichkeiten Menschen im Alltag zu unterstützen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine eigens entwickelte Plagiatserkennungsoftware für Java-Programme namens Plagiarism Finder vorgestellt. Der Plagiatserkennungsprozess dieser Software basiert auf dem Java-Bytecode. Es werden die Grundlagen der Plagiatserkennung und des Java-Bytecodes umfassend erläutert. Des Weiteren wird die Funktionsweise, der Entwurf, die Benutzeroberfläche und die Evaluierung von Plagiarism Finder dargestellt. Hierbei wird auf folgende von der Wissenschaft bisher nicht betrachteten Aspekte eingegangen:
-Die Art der Normalisierung des Bytecodes vor dem Vergleich.
-Wie gelöst werden kann, dass das Verschieben von Methoden keinen Einfluss auf die ermittelten Ergebnisse hat.
-Wie bei der Plagiatserkennung Vorlagen gefiltert werden können. Die Arbeit kommt zu dem Resultat, dass sich die Ergebnisse von Plagiarism Finder stabil gegenüber Änderungen des Wortlautes, des Textsatzes und dem Verschieben von Methoden verhalten. Änderungen an Kontrollstrukturen (z.B. For- statt While- Schleifen), an Zugriffsmodifikatoren und an der Anzahl von Methoden führen zu einem instabilen Verhalten der Ergebnisse. Alles in allem kann Plagiarism Finder mit einer etablierten Plagiatserkennugssoftware
wie JPlag [MP00] mithalten. Auf Grundlage der untersuchten Daten ist Plagiarism Finder im Erkennen von Plagiaten leicht schlechter als JPlag. Plagiarism Finder ist hingegen deutlich besser im Erkennen von nicht plagiierter Software. Bei wortwörtlichen Kopien sowie bei Änderungen an der Textgestaltung und an Bezeichnungen sind die Ergebnisse der Programme nahezu identisch.
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.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit war es, ein Programm zu entwickeln, welches die doppelte
Lichtbrechung und die Reflexion eines Laserstrahls berechnen kann. Hierbei wird zuerst auf
die physikalischen Grundlagen eingegangen. Anschließend wird das dazu verwendete Programm
mit dem Algorithmus inklusive den Berechnungen vorgestellt. Das Programm kann
die doppelte Lichtbrechung und auch die Reflexion eines Laserstrahls berechnen und zusätzlich
bestimmen, ob der Laserstrahl gebrochen oder total reflektiert wird. Die Prüfung dafür,
erfolgt über den Größenvergleich zwischen dem Einfallswinkel und dem kritischen Winkel.
Der Algorithmus ist für beliebige Laserstrahlen unter Berücksichtigung der Brechungsindexe
geeignet.