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Anhand der Beschleunigungssignale des Oberkörpers, die mit einem mobilen Messsystem (Brustgurt) aufgezeichnet wurden, sind Erkennungsverfahren für Kniebeugen und Liegestützen entwickelt worden. Die 20 rekrutierten Probanden sind in 2 Kollektive aufgeteilt. Das erste Kollektiv besteht aus 5 und das zweite Kollektiv auf 15 Probanden. Beide Probandenkollektive führten ein Bewegungsprogramm durch, das aus 5 Kniebeugen und 5 Liegestützen besteht. Somit konnten die Erkennungsverfahren mit 100 aufgezeichneten Bewegungen je Bewegungsart auf ihre Erkennungsrate getestet werden.
Die meisten Internetzugriffe erfolgen heute über das Smartphone. Während vor dem Jahr
2010 überwiegend der PC dafür verwendet wurde, nutzten 2016 81% aller Internet-User
ein Mobiltelefon für den Online-Zugang [1]. Die digitale Modulation von HF-Signalen ist
dabei immer von Bedeutung, unabhängig ob WLAN oder ein Mobilfunkstandard, wie
LTE angewandt wird. Die Weiterentwicklung drahtloser Kommunikationstechnik für das
Internet erscheint als interessante Alternative zur leitungsbasierten Anbindung an das
Breitbandnetz. Der Ausbau mit Glasfaserkabeln ist kostenintensiv, zeitaufwendig und
bei der Versorgung abgelegener Orte für den Provider unrentabel. Aus technischer Sicht
können drahtlose Anbindungen sogar zu einer Verringerung zeitlicher Verzögerungen
führen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist in Luft höher
als in Kupfer oder Glas [2]. Das Mobilfunknetz ist allerdings nicht zur flächendeckenden
Internetversorgung von PCs vorgesehen. Alle Online-Zugriffe durch Mobilfunk in einem
bestimmten Gebiet erfolgen über die selbe Funkzelle einer Basisstation. Bei gleichzeitiger
Benutzung durch viele Teilnehmer, reduziert sich die Datenrate merklich. Einige Mobilfunkbetreiber
verbieten rechtlich die ausschließliche Nutzung des Mobilfunk-Internets für
PCs [3]. Die Zugangskosten für den Verbraucher sind deutlich teurer als bei DSL. Zudem
existieren kaum Tarife für unbegrenzten Zugang. Genauso wie beim Leitungsnetz sind lokale
Schwankungen der Internetgeschwindigkeit vorhanden. Während beim Kabelzugang
die Geschwindigkeit vorherbestimmt werden kann, ist sie beim Mobilfunk individuell
auszutesten. Notebooks und Desktop-PCs besitzen in der Regel keine Empfangseinrichtung
für Mobilfunk. LTE-Router übersetzten das Protokoll in den WLAN-Standard.
Diese Umwandlung erfolgt durch separate Geräte oder als integrierte Funktion in einem
Smartphone (Hotspot). Einige dieser Router bieten auch einen Kabelzugang zum PC,
um die Verluste der WLAN-Verbindung zu vermeiden. Sie werden häufig in Form von
USB-Sticks angeboten. Die private Nutzung des Mobilfunk-Internets für PCs ist also
mit Einschränkungen verbunden. Für Unternehmen ist dies meist nicht hinnehmbar.
Die geschilderten Hindernisse bedeuten allerdings nicht, dass das Internet grundsätzlich
leitungsgebunden vermittelt wird und in drahtlose Online-Technologien zukünftig keine
Investitionen fließen. Die Richtfunkanbindung von Basisstationen erfolgt, wenn sich
das Verlegen von Leitungen nicht lohnt (Abbildung 1). Die Umwandlung im Großen ähnelt
dem Prinzip der privaten Hotspots. Eine Richtfunkantenne empfängt die gebündelte
elektromagnetische Energie. Nach der Umwandlung senden mehrere Sektorantennen mit
Rundstrahlcharakteristik die Wellen in das Umfeld des Masts. Außerdem ist die weitere
Übertragung nach einer Richtfunkstrecke durch ein Kabel möglich. Dementsprechend
kann das Internet über Richtfunkabschnitte zum Verbraucher gelangen, auch wenn es
schließlich beim Router über ein Kabel ankommt.
The aim of this master’s thesis is the design and implementation of a dedicated software system, for planning and implementation of occupational therapy intervention and research studies, in a driving simulator environment. In the first part, the concept based on user requirements is presented. It consists of architectural patterns and guidelines with the main focus on utility and application security. The result of this part is the design of a web application which supports integration in a clinical as well as a research environment. The second part presents the reference implementation of the previously introduced concept. It was developed under a case study in a research facility which hosts a driving simulator. A close cooperation and the influence the researcher’s experience led into a product which provides advanced usability for the target users. In conclusion, the thesis validated the concept indirectly under a testing phase of the reference implementation. It provides the base for a follow-up project to refine the software product and extend the concept to different fields of application.
Background: Stroke rehabilitation is a complex process that requires collaboration between stroke patients
and various health professionals. One important component of the rehabilitation is to set goals collaboratively with health professionals. The goal setting process can be time-consuming. In many cases, it is complicated for the patient and difficult to track for the health professionals. A simple user interface that supports patients, their family members and health professionals can help both sides to make the goal setting and attainment process easier.
Objectives: The aim is to design and develop a software for the goal attainment process of stroke patients with milder disabilities that facilitates goal setting process and the traceability of the goal progress for patients and health professionals.
Methods: Based on previous evaluated results, the web interface was developed and improved. Using this knowledge, a goal setting interface was added. To analyze the the goal setting process, goal attainment scaling (GAS) was included as well as parts of the International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF) core set for stroke. The results were discussed afterwards in focus groups and evaluated based on two stroke patients, one family member and health professionals.
Results: We developed an interactive prototype, that can aid the rehabilitation at home by inserting
problems with ICF codes and different kinds of goals, creating new activities and tracing goal progress by reviewing the different goals. With the help of the GAS the outcome of the patient’s goals are visualized by a line chart presenting the positive or negative outcomes of the stroke rehabilitation.
Conclusion: The interactive prototype showed that it can support stroke patients during their rehabilitation
at home. A usability test indicated that the goal setting and attainment process was perceived as useful for patients and their family members. Small improvements have to be made to simplify use and error handling. For health professionals, the prototype could also simplify the documentation process by using ICF in the prototype, and also improving collaboration when using the tool for coordination.
Background: An important factor in approaching the challenges of chronic diseases, requiring long-term management and high costs, is the active participation of the patient in the care process. Objectives: Facing the problem of lacking patient-tailored, comprehensive health management software, the aim of this thesis is to generate ideas for a graphical user interface (GUI) to support stroke patients in the management of their individual care process. The objectives are to prototype a GUI for a patient e-service and to evaluate its usefulness and usability with stroke patients. Methods: A scenario-based, user-centered design method was used to envision ideas for the user interface. Static prototypes were realized with the tool Pencil and for the implementation of a dynamic prototype web programming techniques were used. For the evaluation of the prototypes the methods of focus group discussion and cooperative evaluation were applied. Results: The situation of a representative stroke patient and his interaction with the e-service were described in scenarios. Graphical user interfaces of the involved system views were derived from the scenarios and illustrated with static wireframe prototypes. A welcome screen, a care process timeline overview, and a diary with data sharing functionality were designed. The diary functionality was further examined by implementing a prototypical web application. During the evaluation, feedback for further improvements was gathered, and assumptions about the user information and functionality needs could be verified. Conclusion: The developed prototypes represent a suitable graphical user interface and visualizations to support stroke patients in the management of their care process. An overview of appointments on the welcome screen, a diary to document and monitor health, a timeline overview of all time-related health information and a selected sharing functionality were found to be important features of a personal health system for stroke patients.
Development and validation of a neural network for adaptive gait cycle detection from kinematic data
(2020)
(1) Background: Instrumented gait analysis is a tool for quantification of the different
aspects of the locomotor system. Gait analysis technology has substantially evolved over
the last decade and most modern systems provide real-time capability. The ability to
calculate joint angles with low delays paves the way for new applications such as real-time
movement feedback, like control of functional electrical stimulation in the rehabilitation
of individuals with gait disorders. For any kind of therapeutic application, the timely
determination of different gait phases such as stance or swing is crucial. Gait phases are
usually estimated based on heuristics of joint angles or time points of certain gait events.
Such heuristic approaches often do not work properly in people with gait disorders due to
the greater variability of their pathological gait pattern. To improve the current state-ofthe-
art, this thesis aims to introduce a data-driven approach for real-time determination
of gait phases from kinematic variables based on long short-term memory recurrent neural
networks (LSTM RNNs).
(2) Methods: In this thesis, 56 measurements with gait data of 11 healthy subjects,
13 individuals with incomplete spinal cord injury and 10 stroke survivors with walking
speeds ranging from 0.2 m
s up to 1 m
s were used to train the networks. Each measurement
contained kinematic data from the corresponding subject walking on a treadmill for 90
seconds. Kinematic data was obtained by measuring the positions of reflective markers on
body landmarks (Helen Hayes marker set) with a sample rate of 60Hz. For constructing a
ground truth, gait data was annotated manually by three raters. Two approaches, direct
regression of gait phases and estimation via detection of the gait events Initial Contact
and Final Contact were implemented for evaluation of the performance of LSTM RNNs.
For comparison of performance, the frequently cited coordinate- and velocity-based event
detection approaches of Zeni et al. were used. All aspects of this thesis have been
implemented within MATLAB Version 9.6 using the Deep Learning Toolbox.
(3) Results: The mean time difference between events annotated by the three raters
was −0.07 ± 20.17ms. Correlation coefficients of inter-rater and intra-rater reliability
yielded mainly excellent or perfect results. For detection of gait events, the LSTM RNN
algorithm covered 97.05% of all events within a scope of 50ms. The overall mean time
difference between detected events and ground truth was −11.62 ± 7.01ms. Temporal
differences and deviations were consistently small over different walking speeds and gait
pathologies. Mean time difference to the ground truth was 13.61 ± 17.88ms for the
coordinate-based approach of Zeni et al. and 17.18 ± 15.67ms for the velocity-based
approach. For estimation of gait phases, the gait phase was determined as a percentage.
Mean squared error to the ground truth was 0.95 ± 0.55% for the proposed algorithm
using event detection and 1.50 ± 0.55% for regression. For the approaches of Zeni et al.,
mean squared error was 2.04±1.23% for the coordinate-based approach and 2.24±1.34%
for the velocity-based approach. Regarding mean absolute error to the ground truth, the
proposed algorithm achieved a mean absolute error of 1.95±1.10% using event detection
and one of 7.25 ± 1.45% using regression. Mean absolute error for the coordinate-based
approach of Zeni et al. was 4.08±2.51% and 4.50±2.73% for the velocity-based approach.
(4) Conclusion: The newly introduced LSTM RNN algorithm offers a high recognition
rate of gait events with a small delay. Its performance outperforms several state-of-theart
gait event detection methods while offering the possibility for real-time processing
and high generalization of trained gait patterns. Additionally, the proposed algorithm
is easy to integrate into existing applications and contains parameters that self-adapt
to individuals’ gait behavior to further improve performance. In respect to gait phase
estimation, the performance of the proposed algorithm using event detection is in line
with current wearable state-of-the-art methods. Compared with conventional methods,
performance of direct regression of gait phases is only moderate. Given the results,
LSTM RNNs demonstrate feasibility regarding event detection and are applicable for
many clinical and research applications. They may be not suitable for the estimation
of gait phases via regression. For LSTM RNNs, it can be assumed, that with a more
optimal configuration of the networks, a much higher performance is achieved.
Medical imaging produces many images every day in clinical routine. Keeping up with the
daily image analysis task and this vast amount of data is quite a challenge for radiologists.
However, these analysis tasks can be automated with well-proven automatic segmentation
methods. Segmentation reviewing of an expert is necessary because learningbased
automatic segmentation methods may not perform well on exceptional image
data. Creating valid segmentations by reviewing them also improve the learning-based
methods.
Combining established standards with modern technologies creates a flexible environment
to efficiently evaluate multiple segmentation algorithm outputs based on different metrics
and visualizations and report these analysis results back to a clinical system environment.
The presented software system can inspect such quantitative results in a fast and intuitive
way, potentially improving the daily repetitive segmentation review and rework of a
research radiologist. The presented system is designed to be integrated into a virtual
distributed computing environment with other systems and analysis methods. Critical
factors for this particular environment are the handling of many patient data and routine
automated analysis with state of the art technology.
First experiments show that the time to review automatic segmentation results can be
roughly divided in half while the confidence of the radiologist is enhanced. The system
is also able to highlight individual slices which are essential for the expert’s review
decision. For this highlighting, different metric scores are compared and evaluated.
Im Zeitalter der Informationsgesellschaft stellt das Internet eine zentrale Bedeutung für die Wissens- und Informationsbeschaung dar. Immer mehr Menschen informieren sich mit Hilfe des Internets über das Thema Gesundheit. Gerade im Gesundheitssektor ist es wichtig, aus der großen Masse an Informationen diejenigen Quellen herauszufinden, die inhaltlich korrekt, d.h. keine Fehlinformationen enthalten, und möglichst vollständig sind, da falsche Informationen für den Nutzer sogar gesundheitsschädliche Konsequenzen haben könnten. Als Laie medizinische Begriffe oder Zusammenhänge zwischen zwei oder mehreren Begriffen zu verstehen ist schwierig. Bei der Fülle an Informationen, die im Web angeboten werden ertrinkt der Nutzer sprichwörtlich an der Informationsflut. Die freie Online-Enzyklopädie Wikipedia scheint in diesem Kontext eine vielversprechende Quelle zur Informationsbeschaung zu sein. Der Gesundheitssektor der Wikipedia umfasst in der deutschen Sprache ca. 92.000 Artikel. In der englischen Sprache sind es ungefähr 350.000 Artikel. Im Rahmen einer Diplomarbeit an der Hochschule Heilbronn, wurde von B. Trinzcek ein Framework zur Darstellung der Wikipedia als Graph entwickelt. Durch die Verlinkungen in den Artikeln ist es möglich, Zusammenhänge zwischen verschiedenen Artikeln und somit Begriffen zu visualisieren. Der durch das Framework erstellte Graph der Domäne Gesundheit wird als Gesundheitsgraph bezeichnet [27].
Mobile-Anwendungen nehmen eine zentrale Rolle in der IT-Branche ein und gewinnen zunehmend an Bedeutung. Unzählige Softwarelösungen, wie beispielsweise in den Bereichen Schulung, Banking, Navigation oder Logistik, stehen den privaten und kommerziellen Nutzern als Mobile-Anwendung zur Verfügung. An der Hochschule Heilbronn steht derzeit das Stundenplan-System „SPlan“ zur Verfügung, welches den Studierenden, Mitarbeitern und Dozenten einer Suchanfrage nach Stundenpläne und dem Raumbelegungspläne des jeweiligen Semesters ermöglicht. Für eine benutzerfreundlichere und effektivere Nutzung dieses Stundenplan-Systems entstand die Idee, dieses System im Rahmen meiner Diplomarbeit als Mobile-Anwendung bereit zu stellen. Das für diese Diplomarbeit konkretisierte Ziel ist nun, das Stundenplan-System „SPlan“ in eine Mobile-Anwendung, basierend auf dem Android-Betriebssystem, umzusetzen. Mithilfe der mobilen-Anwendung kann der Anwender die Stundepläne des betreffenden Semesters mit den entsprechenden Studiengängen und die jeweils zugehörigen Studentengruppen anzeigen lassen. Genauso können für den Raumbelegungspläne des betreffenden Semesters, die Standorte und die jeweils zugehörigen Räume definiert werden. Optional bietet sich die Möglichkeit, Einzelbuchungen und Blockveranstaltungen der beiden Suchanfragen anzeigen zu lassen. Außerdem werden die Suchanfragen automatisch anhand der gewählten benutzer-spezifischen Eingaben als Profil in der Anwendung gespeichert. Somit lässt sich die Anwendung personalisieren.
Heutzutage ist es für Unternehmen immer wichtiger, dass man in kürzester Zeit die richtigen Informationen erhalten kann, um Entscheidungsprozesse optimal bilden zu können. Die Informationstechnologie lässt sich zurzeit in der Welt weit und breit nutzen. Sie kann nicht nur den Daten sammeln und austauschen, sondern auch kann die Informationen systematisch und rapid verarbeiten, verwalten, analysieren und interpretieren. Die wachsende Datenmenge und Komplexitat erfordert immer stärker Analyseinstrumente gewinnen an Bedeutung. In großen Unternehmen Umgebungen stoßen einfache Abfrage Werkzeuge für den Datenzugriff schnell an die Grenzen ihre Leistungsfähigkeit und der Performance-Gewinn wird auch zum zentralen Thema. Aus diesen Gründen wird das Unternehmen T-Mobile den Analysewerkzeuge, den sogenannten OLAP (Online Analytical Processing)-Tools, einsetzen, um die Daten in sogenannten mehrdimensionalen Tabellenstrukturen flexibel und schnell analysieren bzw. auswerten zu können. Ein weiterer Punkt warum das Analysieren der Call Daten interessant sein könnte ist das Überwachen von Fehlern. Durch diese Technologie kann die Lösungsqualität hinsichtlich der zu verarbeitenden Komplexität erhöht werden. Als Grundlage für die OLAP Anfragen wurde zunächst ein Data Warehouse aufgebaut, in dem die Daten aus dem Quellsystem integriert und strukturiert bereitgestellt werden. Des weiteren ist zu erstellen, in wie weit der Einsatz von Reporting-Tools und zusätzlicher OLAP-Werkzeuge, um die gewünschten Berichtsfunktionalitäten zu ermöglichen. Diese Funktionalitäten sollen Schließlich in geeigneter Weise umgesetzt und bereitgestellt werden. Dabei sind die Anforderungen der Mitarbeiter und damit der Benutzer des Systems und die Rahmenbedingungen der Firma T-Mobile, z.B. bezüglich Auswahl der Software, zu berücksichtigen.