Informatik
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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.
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.
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.
Aufgrund der unterschiedlichen Wiederbelebungsabläufe zwischen Erwachsenen
und Kindern, müssen bei der Reanimation eines Kindes andere Behandlungsmaßnahmen
durchgeführt werden. So müssen z.B. Medikamente anders dosiert werden.
Hinzu kommt, dass eine Reanimation an einem Kind nur selten durchgeführt wird.
Dadurch sind Mediziner mit einer Wiederbelebungsmaßnahmen an Kindern aufgrund
mangelnden Routine unsicher bzw. führen falsche Behandlungsmaßnahmen
durch. Zwar sind bereits Leitlinien in digitaler Ausführung vorhanden, jedoch
werden diese in einer für eine Reanimation ungeeigneten Form ausgegeben und
können so nur schlecht in einer Wiederbelebungsmaßnahme genutzt werden. Um
Behandlungsfehler zu minimieren wird in dieser Arbeit untersucht, ob eine Datenbrille
zur Darstellung der Leitlinien verwendet werden und der Mediziner diese
mittels Sprachkommandos steuern kann. Um die Qualität der Sprachsteuerung im
Umgang mit den Leitlinien festzustellen, wurde eine Evaluation dieser durchgeführt.
Dafür wurden die Anwendung mit zehn Personen getestet. Diese ergab, dass
die Nutzung der Sprachsteuerung durch Auswahl geeigneter Sprachkommandos
sowohl bei Zimmerlautstärke, als auch bei Straßenlärm möglich war. Somit ist die
Steuerung einer Datenbrille mit Sprachkommandos in einer Reanimation denkbar,
um den Mediziner durch Informationen zu unterstützen .
Die Atemfrequenz ist neben anderen ein wichtiger Vitalparameter für die Erkennung von verschiedenen Erkrankungen des Atemsystems. Dennoch gibt es wenige Lösungen dafür, die Atemfrequenz aus der Ferne zu überwachen. Im Rahmen dieser
Arbeit soll deshalb ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor für die Aufnahme der Brustkorbbewegung verwendet werden. Aus diesen Bewegungsdaten soll daraufhin mit Hilfe von digitalen Signalverarbeitungsmethoden die Atemfrequenz ermittelt werden. Der Beschleunigungssensor ermittelt die rustkorbbewegung mit einer Abtastrate von 50 Punkten pro Sekunde für jede Achse. Die Rohsignale werden achsenweise mit einem Butterworth-Bandpassfilter gefiltert und daraufhin mit Hilfe der Fast Fourier Transformation in die jeweiligen Frequenzspektren umgerechnet. Die einzelnen Achsen-Spektren werden zusammenaddiert und bilden so die Frequenzen des gesamten Signals ab. In dem Gesamtspektrum wird das absolute Maximum gesucht, das die dominante Frequenz des Signals angibt, aus welcher die Atemfrequenz berechnet werden kann.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, einen Open-Source Python-Prototypen zu entwickeln, der aus den Sensor-Rohdaten die Atemfrequenz ermitteln kann. Dieser soll nach Fertigstellung veröffentlicht werden. Die Ergebnisse des Prototypen sollen gegen die des „EarlySense VitalsGerätes evaluiert werden. Dabei sind für die Ergebnis-Datensätze die Korrelation berechnet sowie die statistische Signifikanz ermittelt worden. Die Evaluation hat gezeigt, dass der Prototyp gute Ergebnisse liefert, welche in den meisten Fällen eine statistisch signifikante Korrelation aufweisen.
Mobile Signalverarbeitung auf dem Raspberry Pi mit Aspekten der Vernetzung mehrerer Messgeräte
(2016)
Bei dem Raspberry Pi handelt es sich um einen Einplatinen-Computer, welcher ich seit dem Verkaufsstart im Jahr 2012 sehr groÿer Beliebtheit erfreut. Nicht zuletzt aufgrund des hohen Grades an Kompatibilität und der groÿen Online-Community wurden bis zum heutigen Tage unzählige Projekte realisiert. In der Zwischenzeit ist der Raspberry Pi in verschiedenen Anwendungsgebieten und Branchen anzutreffen. Dies ist insofern interessant, da dieser ursprünglich für den Einsatz in Bildungseinrichtungen auf Basis einer Stiftung entwickelt wurde [1]. Dabei stellen Anwendungen wie eine Smart-Home Steuerung, ein Multimedia-Center oder eine Wetterstation nur einen Bruchteil der Möglichkeiten dar. Grundlage dieser vielfältigen Anwendungsgebiete ist die Unterstützung sämtlicher standardisierter Hard- und Software-Schnittstellen, zum Beispiel USB, Audio-Klinke, Serial Peripheral Interface (SPI) oder Inter-Integrated Circuit (I2C). Dadurch wird die Einbindung von beispielsweise Global Positioning System (GPS)-Modulen, Wireless Local Area Network (WLAN)-Empfängern oder sogar der eigenen Spiegelreflexkamera ermöglicht. Weiterhin ist mit Hilfe eines Mikrofons die Entwicklung einer Sprachsteuerung denkbar. Der mögliche Anwendungsbereich des Raspberry Pi geht noch weit über die hier genannten Beispiele hinaus. Eine der Schnittstellen des Raspberry Pi stellen die sogenannten General Purpose Input Output (GPIO)-Ports dar. Hierbei handelt es sich um analoge und digitale Ein- und Ausgänge worüber Hardware-Komponenten direkt auf physikalischer Ebene eingebunden werden können. Der Raspberry Pi eignet sich auch zum Nachweis radioaktiver Strahlung.
Ziel der Arbeit soll die Entwicklung eines Gerätes zur Messung der Strahlendosis sein. Dazu gehört die Verwendung eines Geiger-Müller-Zählrohrs, welches mittels eines Arduino Shields ansprechbar ist. Weiterhin sollen im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Möglichkeiten zur Weiterentwicklung des Systems betrachtet werden. Das Geiger-Shield, zu dem das Geiger-Müller-Zählrohr und das Arduino-Shield gehören, wurden von dem Hardware-Hersteller Libelium im Jahr 2011 entwickelt. Anlass war der Tsunami in Japan, welcher die Atom-Katastrophe von Fukushima nach sich gezogen hat [2]. Das Geiger-Shield sollte den Alltag der Menschen in Japan vereinfachen, indem sie selbst die Strahlendosis messen konnten. Mit einem Mikrocontroller, einem einfachen LC-Display und einem Akku konnte so jederzeit die aktuelle Strahlendosis bestimmt werden.
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist ein Konzept zum Lehren von Ontologie in der Informatik, des Ontologiemanagementsystems Protégé und des Wissensverwal-tungssytems ProKEt. Dies geschieht in Form von Präsentationen, welche mit Hilfe von PowerPoint erstellt wurden. Dabei wird auf die Installation, die Basics, Kernkonzepte und die Teilwissensbasen im Detail eingegangen. Diese Präsentationen sollen ein alter-natives Konzept für den Unterricht darstellen, um die Lernenden aktiv zu beteiligen, und stellen ein Angebot zum Lehren der entsprechenden Thematiken dar. Zur Überprüfung der Effizienz wird eine Evaluation durchgeführt.
An der NCT-Gewebebank in Heidelberg werden große Mengen menschlichen Gewebes vorgehalten, welche von Forschern hauptsächlich im Rahmen der Tumorforschung verwendet werden können. Da jede Dienstleistung im Zusammenhang mit diesem Gewebe, sowie die Herausgabe dessen zuerst bewilligt werden muss, müssen die forschenden Ärzte und Wissenschaftler einen Antrag an die Gewebebank stellen. Die
Antragsstellung erfolgt zum aktuellen Zeitpunkt über ein Online bereit gestelltes Formular, welches im besten Falle digital korrekt ausgefüllt, ausgedruckt und unterschrieben an das Sekretariat der NCT-Gewebebank geschickt wird. Da die Anträge dort wieder von Hand digitalisiert werden, soll der Vorgang online erfolgen und so die Antragsverwaltung erleichtern, sowie weniger anfällig für Fehler machen.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll ein Konzept entwickelt werden, wie ein Antragsportal funktionieren kann, über das die Forscher online Anträge stellen können.
Diese Arbeit ist auf die folgenden Ziele ausgerichtet:
- Modellierung des aktuellen Zustands des Prozesses der Antragstellung
- Modellierung eines möglichen zukünftigen Prozesses
- Vorstellung der möglichen Verbesserungen im Prozess
- Konzeptionierung eines Antragsportals
- Analyse der Umsetzung dieses Portals mit praktischen Ansätzen
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wird in Zusammenarbeit mit zwei Physiotherapeuten der IB Medizinischen Akademie Mannheim ein Konzept für das heimbasierte Training
in der Handtherapie erarbeitet. Das Konzept basiert auf der Thalmic Myo, einem Gestensteuerungssystem, das über den Arm gesteuert wird. Der Entwurf wird prototypisch in Verbindung mit einer Android Anwendung realisiert.
Das Myo-Armband ist mit Bewegungssensoren und Elektroden ausgestattet, womit sich Position von Hand und Arm im Raum erfassen und Bewegungen durch elektrische Signale
von Muskeln erkennen lassen. Basierend auf dieser Technologie, soll eine Möglichkeit zur
Verlaufskontrolle der Adhärenz, die Einhaltung der gemeinsam gesetzten Therapieziele, gewährleistet werden können.
Abschließend wird der Prototyp gemeinsam mit sieben Physiotherapeuten hinsichtlich
seiner Funktionalität untersucht und die Akzeptanz und das Nutzererlebnis evaluiert. Bei der Untersuchung wird das Studentenprojekt “LeapPhysio” hinzugezogen, das ähnliche Ziele verfolgt, jedoch auf einer anderen Technologie basiert. Es werden beide Technologien gegenübergestellt und auf ihre Eignung geprüft.
Konzeption und Entwicklung einer robotergestützten und ultraschallbasierten Lokalisationskontrolle
(2018)
Mit Hilfe der Image Guided Therapy wird versucht die Bestrahlung von Tumoren mittels
Bildgebung zu verbessern und die Nebenwirkungen durch die Bestrahlung für den
Patienten zu minimieren. Diese Arbeit verfolgt den Ansatz Ultraschall als echtzeitfähige
Bildverarbeitungsmodalität zu nutzen und darüber eine Lokalisationskontrolle
von Tumoren während der Bestrahlung zu ermöglichen.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Implementierung eines Gesamtkonzeptes
zur ultraschallbasierten und robotergestützten Lokalisationskontrolle. Ergebnis der
Arbeit ist eine auf dem medizinischen Bildverarbeitungsprogramm MITK basierte Applikation.
Diese erlaubt es ein 2D Ultraschallbild über ein Tracking-System oder den
Roboter zu referenzieren und mit registrierten Planungsdaten überlagert darzustellen.
Die Darstellung ist dabei in quasi Echtzeit sowohl in 2D als auch in 3D möglich. Zur
Registrierung wurde ein optisches Tracking-System verwendet, welches über einen eigens
neu entwickelten Filter mit dem Roboter verknüpft werden kann. Weiter lässt
sich aus der Applikation heraus der Roboter steuern und es können automatisierte
Scanverfahren genutzt werden, um mit Hilfe eines 2D Ultraschallkopfes ein 3D Ultraschallbild
zu erstellen. Die Anwendung knüpft an bestehenden Funktionen an und
erlaubt es künftigen Nutzern die neu erstellten Komponenten auch getrennt voneinander
weiter zu verwenden. Dazu gehören Filter für die Zuordnung der Ultraschallbilder,
sowie ein Filter zum Kombinieren von verschiedenen Tracking-Systemen, als auch die
Möglichkeit den Roboter zu nutzen.
In dieser Bachelor-Thesis wird ein Ansatz zur robotergestützten Ultraschall-Bildgebun entwickelt. Es wird hierbei hauptsächlich die Kommunikation zwischen Roboter und
Computer, sowie die Steuerung des Roboters, betrachtet. Die Bilderfassung und Darstellung
ist nicht Teil dieser Arbeit. Ergebnis dieser Arbeit sind eine detaillierte Anforderungsanalyse, eine GUI zum Steuern der erstellten Roboterteilprogramme und das Roboterprogramm an sich. Auf Seiten
des Roboters sind Programme für das Beibringen von Positionen, das Anfahren
dieser und das Verfahren des Ultraschallkopfes an diesen (manuelle Steuerung mit einem Joystick) implementiert. Für eine Atembewegungskompensation sind Beispielprogramme erstellt worden. Die Kommunikation zwischen Roboter und Computer baut auf OpenIGTLink auf. Ein weiteres Ergebnis der Thesis ist die Architektur des Programms, die es ermöglicht, dem Roboter beliebig viele neue Befehle beizubringen.
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.
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.
Am Deutschen Krebsforschungszentrum wird im Rahmen des Projekts TPS++ erforscht, wie ein System für die adaptive Strahlentherapie (ART) konzipiert sein muss. Ziel der adaptiven Strahlentherapie ist, eine optimal auf den individuellen Patienten abgestimmte Behandlung durchzuführen. Basierend auf täglich erstellten Bilddaten müssen Behandlungszielvorgaben überwacht und der Plan innerhalb kürzester Zeit (Minuten) angepasst werden. Die größten Herausforderungen hierbei sind die Menge der zu verarbeitenden und zu visualisierenden Daten sowie die Anforderungen an Flexibilität, Grad der Automatisierung und Möglichkeiten der Interaktion.
Ziel dieser Arbeit ist die Gestaltung und Realisierung einer Benutzeroberfläche (GUI) für dieses neuartige, innovative System. Hierfür muss ein neues Konzept bezüglich der Benutzerführung, Flexibilität der GUI und der Interaktionsmöglichkeiten erstellt, umgesetzt und evaluiert werden. Die GUI muss so gestaltet sein, dass sie die Darstellung von Daten für verschiedenste bekannte Anwendungsszenarien sowie eine einfache Erweiterbarkeit für unbekannte Anwendungsszenarien und Daten leisten kann. Diese flexible Gestaltung der GUI ist notwendig, um adaptive Behandlungsstrategien weiter erforschen zu können. Aus Benutzeraktionen und den vorhandenen Daten muss das System erwünschte Benutzerhandlungen ableiten und die Daten in exakt der benötigten Darstellungsform für das aktuell zu bearbeitende Problem anzeigen.
Im Sommer 2014 stellten Menschen auf der ganzen Welt Videos in das Internet, in denen sie mit Eiswasser überschüttet wurden. Grund dafür war die sogenannte ,,Ice Bucket Challange”. Der genaue Ursprung dieses Internetphänomens ist unbekannt. Sinn und Zweck ist eine Spendensammlung für die Erkrankung Amyotrophe Lateralsklerose, kurz ALS. [54] ,,Rund 100 Millionen US-Dollar kamen mit dieser einfachen Idee in 30 Tagen zusammen.” [6].
ALS ist eine ,,chronisch-degenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems, die mit einer Atrophie der Skelettmuskulatur und Pyramidenbahnzeichen einhergeht” [41]. Die Ursache der Krankheit ist unbekannt, ein familiäres gehäuftes Auftreten lässt auf genetische Disposition hinweisen, andere Faktoren sind nicht auszuschließen. [54] Langfristig führt die Krankheit zum Absterben der Zellen, ,,die elektrische Impulse vom Gehirn indie Muskeln leiten” [54]. Dies führt zu einem Muskelschwund. Die aggresiv verlaufende Krankheit führt zu einer Lebenserwartung von 3-5 Jahren nach Eintritt, welche meist im Alter zwischen dem 50. und 70. Lebensjahr geschieht. [54]
Ein bekannter Betroffener dieser Krankheit ist der britische theoretische Physiker und Astrophysiker Stephen William Hawking. Der 1942 geborene Hawking erhielt im Alter
von 21 die Diagnose. Über die Jahre wurde seine körperliche Verfassung immer eingeschränkter, bis er 1985 durch die Folge einer Tracheotomie seine Stimme verlor. Ein kalifornischer Computer Programmierer wurde auf die Situation aufmerksam und entwickelte
einen Sprachcomputer, den Hawking über einen Druckknopf steuern konnte. Nach funktionsverlust der Hand wurde ein Interface entwickelt, welches dem Physiker die Steuerung des Sprachcomputers über eine Backenbewegung ermöglicht, die durch einen Infrarotsensor aufgenommen werden. Da die Krankheit weiter fortschreitet und nun auch seine Gesichtmuskulatur langsam lähmt, wird nach einer neuen Möglichkeit gesucht, die für den Physiker lebenswichtige Steuerung des Sprachcomputers zu ermöglichen. Eine Möglichkeit könnte das Eye Tracking darstellen, bei dem die Augenbewegungen verfolgtwerden. [14] [24] [15]
Im Folgenden wird sich mit dem Thema der Blickrichtungsverfolgung auseinandergesetzt und ein Ansatz für ein Eye Tracking System erforscht.
Gammastrahlung ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die zum Beispiel
beim Zerfall radioaktiver Stoffe auftritt und besteht aus ungeladenen Photonen. Jeder
dieser Gammastrahler strahlt Photonen mit einer für ihn spezifischen Energie aus, woran
man ihn auch erkennen kann. So hat jeder Gammastrahler sozusagen seinen eigenen
Fingerabdruck.
Wenn man wissen will, welche Gammastrahler in einer Probe vorhanden sind, kann auf
die Gammaspektroskopie zurückgegriffen werden. Diese misst, wie der Name schon sagt,
das Spektrum, also die Energie und die Intensität, der Gammastrahlen. Aus dem daraus
entstehenden Graphen kann dann anhand der Ausschläge abgelesen werden, welche
Gammastrahler in der Probe enthalten sind, da sich diese über ihr Energiemaß bestimmen
lassen.
Die beiden grundsätzlichen Bestandteile eines solchen Gammastrahlenspektrometers sind
ein Detektor und eine Strahlungsquelle, meist eine radioaktive Probe. Die Probe wird so
angebracht, dass sie auf den Detektor strahlt. Dieser registriert dann die Impulse, die
durch Wechselwirkung zwischen den Gammastrahlen und den Elektronen des Detektors
entstehen.
Es gibt zwei hauptsächlich auftretende Effekte. Der Wichtigste ist wohl der Photoeffekt.
Hierbei trifft ein Photon auf ein Elektron und das Photon wird vollständig vom Elektron
absorbiert, wodurch das Elektron aus seiner aktuellen Bindung, innerhalb des Atoms,
gelöst wird. Dies ist der wichtigste Effekt, weil er genau die Information liefert, die gesucht
wird. Das ist die exakte Energie, mit der ein radioaktives Nuklid abstrahlt. Den durch
gehäuftes Vorkommen dieses Effektes auftretenden Ausschlag nennt man Photopeak. Er
stellt die spezifische Energie von einem der, in der Probe vorhandenen, Gammastrahlern
dar. Anhand dieses Peaks ist es letztendlich möglich die enthaltenen Gammastrahler zu
identifizieren.
Der zweite Effekt nennt sich Compton-Effekt. Hierbei trifft ebenfalls ein Photon auf ein
Elektron. Dieses Mal wird das Photon aber nicht absorbiert, sondern gibt lediglich einen
Teil seiner Energie an das Elektron ab und wird dann in einem Winkel von 0° bis 180°
gestreut. Es setzt seinen Weg also mit geringerer Energie und damit größerer Wellenlänge
fort.
Leider ist das obige Spektrum im jetzigen Zustand noch lange nicht perfekt. Noch sind zu
viele Störungen und Fehlinformationen enthalten. Zwar könnte damit gearbeitet werden,
jedoch mit dem Risiko, dass eventuell Informationen verfälscht, oder sogar gar nicht
ausgelesen werden. Perfekt wäre es, wenn das Spektrum komplett der x-Achse anliegen
würde, vollkommen glatt, ohne Rauschen und nur die Photopeaks zu sehen wären.
Ein kleiner Teil der Störungen, die das Signal beeinflussen, kann schon im obigen Teil
erkannt werden. Es spielen nämlich viel mehr Effekte eine Rolle, als es im besten Fall sein
sollten.
Einer der Störeffekte zum Beispiel, ist der bereits oben erwähnte Compton-Effekt. Dieser
trägt nichts zum Photopeak bei, sondern liefert einen Impuls, dessen Energie bis zu einem
gewissen Punkt, dieser „Punkt“ wird auch Compton-Kante genannt, unterhalb der
spezifischen Energie des Photons liegt. Wenn die spezifische Energie eines Photons zum
Beispiel 600keV betragen würde, dann könnte durch den Compton-Effekt eine Energie
von 400keV geliefert werden. Es ist also möglich, dass angenommen wird es seien zwei
unterschiedliche Gammastrahler in der Probe vorhanden. Glücklicherweise sind die
Impulse, die durch den Compton-Effekt entstehen relativ gleich verteilt und erreichen
kaum die Intensität eines Photopeaks. Dennoch zieht jeder Photopeak einen solchen
Rattenschwanz aus schwächeren Impulsen, welche von 0keV bis zur Energie der
Compton-Kante reichen, hinter sich her. Dies wird auch Compton-Kontinuum genannt. Da
im niedrigeren Bereich des Energiespektrums immer mehr Compton-Kontinuen
aufeinandertreffen, je nachdem wie viele Photopeaks, also unterschiedliche
Gammastrahler, in der Probe vorhanden sind, bildet sich dort oft ein sichtbarer Hügel, oder
eine Steigung. Umgekehrt flacht das Spektrum im höheren Bereich immer weiter ab, da
4
Abbildung 1: Beispielspektrum
weniger Compton-Kontinuen vorhanden sind.
Das Compton-Kontinuum trägt einen Großteil zum Untergrund bei. Der Untergrund füllt
fast den kompletten Bereich zwischen Gammaspektrum und x-Achse aus. Ebenso spielt
hier auch die Umgebungsstrahlung eine Rolle, welche eigentlich immer vorhanden ist und
die man nur schwer ausschließen kann.
Ein weiterer Störfaktor ist das in der Elektrotechnik bekannte Rauschen, welches auch im
obigen Spektrum sehr gut erkannt werden kann.
Dies sind nur einige Störungen, die eine Rolle spielen.
Es werden somit sehr viele Störgrößen ungewollt mit betrachtet und diese Störgrößen
müssen durch Werkzeuge, wie zum Beispiel Algorithmen, entfernt werden. Da ich mich in
dieser Bachelorarbeit auf die Untersuchung von Algorithmen zur Bestimmung des
Untergrundes beziehe, werde ich mich im Weiteren auf diese beschränken und die
anderen Probleme größtenteils außer Acht lassen.
Nun gibt es natürlich bereits Algorithmen, mit denen sich der Untergrund von Gammaspektren
bestimmen lässt. Das Problem hierbei ist, dass diese meist nur bei bekannten
Spektren funktionieren, auf die sie, mehr oder weniger, speziell zugeschnitten sind. Wenn
diese Algorithmen eins zu eins auf ein unbekanntes Spektrum angewandt würden, kann es
schnell vorkommen, dass die Untergrundbestimmung misslingt und weit vom angestrebten
Ergebnis entfernt ist.
Einen einzelnen Algorithmus zu entwickeln, der für alle Spektren einsetzbar wäre, ist aber
auch keine Möglichkeit. Der Aufwand und die Kosten wären noch viel zu hoch. Außerdem
würde sich keine Firma finden,welche sich an solch ein Projekt wagen würde, da auch viel
zu wenige Abnehmer dafür vorhanden sind.
Darum werde ich in dieser Arbeit kleinere, einfachere Algorithmen genauer untersuchen,
um zu verstehen, wie sich diese auf unterschiedliche Spektren anwenden lassen. Das
damit entstehende Ergebnis ist wahrscheinlich nicht perfekt, aber gut genug, um damit
arbeiten zu können.
Ziel dieser Arbeit ist es, zwei Algorithmen zur Untergrundbestimmung zu evaluieren und
einen Überblick über folgende Themen zu geben:
– Einen Ausblick über die Auswirkungen der einzelnen Parameter der Algorithmen zu
geben, um zum Beispiel schnell abschätzen zu können, welcher Parameter in
einem konkreten Fall verändert werden muss.
– Einen groben Rahmen festzulegen, in dem die einzelnen Parameter gewählt
werden können, sodass mit hoher Wahrscheinlichkeit ein gutes Ergebnis erreicht
wird.
– Stärken und Schwächen der Algorithmen herausarbeiten, um zum Beispiel die
Verwendung eines Algorithmus auszuschließen, der sich für den beabsichtigten
Zweck nur schwer oder gar nicht einsetzen ließe.
5
– Einen schnellen Überblick über die Möglichkeiten geben, um mit den Algorithmen
ohne großes Vorwissen zu arbeiten.
Auf dem Markt der Android Applikationen gibt es ein breites Spektrum an
Lernanwendungen. Allerdings exisitiert ein Mangel an gut strukturierten
inhaltlichen Zusammenfassungen der schulischen Themen, gerade im
Fach Mathematik.
Mein Ziel der Bachelorarbeit ist, eine Education App zu entwickeln, diese
im realen Betrieb zu testen und somit einen Lösungsansatz für den
Mangel an solchen Apps zu erhalten. Ich werde am Beispiel der 8. Klasse
Realschule im Fach Mathematik eine thematische Zusammenfassung
erzeugen und als App umsetzen. Mathematische Grundlage hierfür bildet
das Schulbuch Schnittpunkt 8 des Klettverlages (Differenzierende
Ausgabe, 2015).
Bugfixing und Evaluierung verläuft Hand in Hand, um am Ende des
Entwicklungsprozesses eine voll funktionsfähige, getestete App zu
bekommen.
Mit Hilfe eines Fragebogens wird dabei direkt auf die Zielgruppe
eingegangen.
Die App wird im Anschluss des Entwicklungsprozesses nach dem Open-
Closed Prinzip fungieren. Ist also für Erweiterungen offen. Diese Funktion
erreiche ich durch genau definierte Schnittstellen. Es wird möglich sein,
neue Klassen ebenso wie Schularten hinzuzufügen. Als
Entwicklungsumgebung dient mir IntelliJ, als Testgerät ein Samsung
Smartphone.
Die App wird den Namen MaTHive Spectre tragen, um direkt auf das
Potential aufmerksam zu machen und einen einprägsamen Namen zu
erhalten.
Eine Anwendung nur mit Gedanken steuern? — Das geht! Mit Hilfe von Brain-Computer-Interfaces (BCIs). Heutzutage gibt es viele BCI-Frameworks, bei denen die
unterschiedlichen Konzepte wie zum Beispiel P300-Speller, Imagined Movement oder SSVEP untersucht und angewendet werden können. Für diese Thesis wird das Framework Buffer-BCI verwendet. Es wurde untersucht, ob
sich dieses für eine Aufgabe im Praktikum Medizinische Signal- und Bildverarbeitung (PSB) des Studiengangs Medizinische Informatik eignet. An mehreren Probanden wurde getestet, ob Reproduzierbarkeit und Erkennungsgenauigkeit hoch genug sind,
um auch bei vielen unterschiedlichen Menschen vergleichbar funktionieren und sinnvolle Ergebnisse liefern zu können. Auch hinsichtlich zeitlicher Latenzen, der prinzipiellen Architektur des Frameworks und der Kommunikationskette für Ereignisse wurde Buffer- BCI untersucht.
Ein Ergebnis dieser Thesis ist die Beschreibung der Architektur und der Kommunikationskette von Buffer-BCI. Ein weiteres Ergebnis ist eine Aufgabenstellung für das PSB bezüglich einer P300-Speller-Anwendung auf Basis des Buffer-BCI-Frameworks. Die Aufgabenstellung kann noch um Imagined Movement- oder SSVEP-Experimente
erweitert werden, was jedoch nicht mehr Teil dieser Thesis ist.