Informatik
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Einleitung: Die Datenerhebung in klinischen Studien erfordert eine ausgiebige, gewissenhafte Dokumentation. Dafür werden nicht nur vom Personal Informationen gewonnen, sondern z.T. auch von Patienten mit Hilfe von Fragebögen erhoben. In der chilenischen PRECISO-Studie wird zur Verwaltung und Erfassung von Studiendaten OpenClinica (OC) verwendet. Zur mobilen Patientenbefragung soll die am Institut für Medizinische Informatik (IMI) der Universitätsklinik Münster (UKM) entwickelte Anwendung MoPat2 eingesetzt werden. Dafür sollen die "Operational Data Model" (ODM)-Import- und Export-Funktionen von OC und MoPat2, beispielhaft anhand der "Quality of Life" (QOL)-Bögen der PRECISO-Studie, auf ihre syntaktische und semantische Kompatibilität getestet, Diskrepanzen dokumentiert und die Implementierung in MoPat2 angepasst werden. Mit der Arbeit soll bewertet werden, mit welchen Arbeits-/Interpretationsschritten der ODM-Standard für solch ein Projekt ein geeignetes Datenaustauschformat darstellt.
Methodik: In allen Arbeitsschritten wurde iterativ getestet, Fehler analysiert und verbessert. Basierend auf der Analyse wurden an der Struktur der aus OC exportierten ODM-Datei Ände-rungen vorgenommen. Aus der ODM-Datei wurden die Metadaten in MoPat2 importiert und daraus der QOL-Fragebogen generiert. Mit dem QOL-Bogen wurden Befragungen getestet und Fehler ausgewertet. Für den Export aus MoPat2 wurde die Implementierung der ODM-Export-Funktion erweitert.
Ergebnisse: Nur durch Änderungen konnten die Metadaten nach MoPat2 importiert und zur Generierung des QOL-Bogens genutzt werden. Befragungen mit dem QOL-Bogen haben sich als möglich aber fehlerbehaftet erwiesen. Durch Implementierungen in MoPat2 konnten mit Hilfe eines ExportTemplates Patientendaten ODM-konform exportiert werden.
Diskussion: Der ODM-Standard ist im Anwendungsfall zum Datenaustausch zwischen OC und MoPat2 gut nutzbar, jedoch mussten trotz Verwendung des Standards diverse Änderungen vorgenommen werden. Die Ergebnisse zeigen somit auf, dass die ODM-Schnittstellen beider Anwendungen erweitert und aufeinander angepasst werden müssen, um einen fehlerfreien Studiendatenaustausch zu ermöglichen.
Die Popularität der drahtlosen Datenübertragung wächst, seit dem der Standard 802.11 im Jahr 1997 vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) für die private Nutzung ausgegeben wurde, stetig an. Hierbei beschränken sich die meisten Anwendungen auf das Wesentliche: die Übertragung von Nutzdaten zwischen einem Access Point und verschiedenen Endgeräten. Der konventionelle Weg der Datenverarbeitung in drahtlosen Netzwerk-Modulen sieht vor, dass zunächst digitale Daten in analogen Verfahren moduliert werden. Nach der Übertragung als elektromagnetische Welle, werden die analogen Daten wieder von eingebetteten Systemen in einen digitalen Datenstrom übersetzt und zum Weiterverarbeiten weitergereicht. Durch die steigende Rechenleistung von Computern gibt es auch andere Wege der Übertragung. Mit der Idee, den Datenstrom nicht analog weiterzuverarbeiten, sondern ihn in digitaler Form zu modulieren oder zu demodulieren entstanden die ersten ‚Software-Radios‘. Zu Beginn der drahtlosen Ära wurden Software-Radios zum Beispiel dazu genutzt, um Sicherheitslücken in Wi-Fi Übertragungen zu finden. Heutzutage finden Software-Radios immer mehr Anwendungen in wissenschaftlichen Bereichen abseits der üblichen Datenübertragung. Als alternative Vorreiter gelten die Arbeiten der Universität Washington „Whole-Home Gesture Recognition Using Wireless Signals“ (Quifan et al., 2013a) und die des Massachusetts Institute of Technology „See Through Walls with Wi-Fi“ (Adib F. and Katabi D., 2013). Die erst genannte Anwendung beruht auf der Theorie des Doppler-Effekts für elektromagnetische Wellen und zeigt auf, dass es möglich ist, die Übertragungsverfahren des IEEE 802.11 zu überwachen und Bewegungen nahe den Antennen zu erfassen. Die Zweite zeigt auf, dass ähnliche Ergebnisse auch ohne den Doppler-Effekt sondern nur durch die gemessenen Reflexionen von Signalen erreicht werden können. Die Möglichkeiten dieser Techniken reichen von einer Gestensteuerung, die ohne zusätzliche Sensoren am Menschen auskommt, bis zum Visualisieren von Bewegungen hinter Wänden.
Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist grundliegende Problematiken der Detektion des Doppler-Effekts in digitalen Modulationen aufzuzeigen. Hierfür werden Grundlagen der Empfangstechnik erläutert. Weiterhin wird der Einsatz aktueller Grafikkarten in Software-Radios zur Detektion des Doppler-Effekts untersucht.
Wird bei einem Patienten mit Kolorektalkarzinom der Tumor erfolgreich entfernt, beginnt die Nachsorgephase. Der Nachsorgeplan, welchen die Patienten bei der
Entlassung erhalten, orientiert sich an der S3-Leitlinie des Leitlinienprogramms für Onkologie. Der Patient kann selbst entscheiden, wo die Nachsorge stattfinden wird. Entweder lässt er seine Nachsorgeuntersuchungen in der Klinik durchführen (klinikinterne Nachsorge) oder er sucht einen niedergelassenen Onkologen auf (klinikexterne Nachsorge). Gegenstand dieser Arbeit ist die Analyse der klinikinternen und
-externen Nachsorge in Bezug auf die Einhaltung der S3-Leitlinie. Ziel ist es, festzustellen, ob anhand der erhobenen Daten Rückschlüsse auf die Leitlinientreue in Bezug auf die Nachsorge der Patienten gezogen werden kann. Im Rahmen dieser Thesis werden Patienten mit einem UICC-Stadium II oder III und einem Diagnosedatum zwischen 2009 und 2013 betrachtet. Basierend auf den Kriterien wurden 562 Datensätze aus dem GTDS exportiert. Nach anschließendem Bearbeiten und Aussortieren wurden 426 Patienten analysiert. Im seit 2001 in Heilbronn eingesetzten Gießener Tumordokumentationssystem (GTDS) werden die Falldaten der Tumorpatienten dokumentiert und gespeichert. Die Verlaufsdaten der
TNM-Dokumentation werden mindestens einmal jährlich zu den Patienten erhoben. Diese Daten werden analysiert, um die Leitlinientreue zu überprüfen.
Der Vergleich zwischen S3-Leitlinie und vorgenommenen Untersuchungen kann sich aufgrund lokaler Dokumentationspraxis nur auf den zeitlichen Ablauf der Untersuchungstermine beschränken, da im GTDS keinerlei Informationen zu der Art der vorgenommenen Untersuchung vorliegen. Um die zeitlichen Abläufe zu analysieren, werden aus den vorliegenden Datumswerten für jeden Patient ein Pfad bestehend aus Zuständen (Tumorfreiheit, Untersuchung 1, etc.) gebildet. Die Übergangswahrscheinlichkeiten
stellen einen Indikator für die Termintreue der Patienten dar. Es wurden 146 Patienten klinikintern und 149 Patienten klinikextern behandelt. 131 Patienten erhielten eine gemischte Nachsorge. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Informationen aus dem GTDS nicht ausreichen, um eine Leitlinienkonformität der Nachsorge von Kolorektalkarzinompatienten nachzuweisen, da im GTDS ausschließlich der Tumorverlauf dokumentiert wird, aber nicht, wie sich die Nachsorge im Speziellen gestaltet.
Die Identifizierung von Angehörigen der Hochschule Heilbronn erfolgt in der Regel
über die Kombination aus Benutzername und Passwort. In verschiedenen Einsatzgebieten,
wie z.B. an einer Parkschranke, ist eine Eingabe der Benutzermerkmale nicht
möglich oder hinderlich. Hierfür soll die Mensakarte des Studentenwerks Heidelberg
als identifizierendes Merkmal erschlossen werden. Dies macht die Verknüpfung von
Benutzerkonto und Karte notwendig.
Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden zunächst verschiedene Umsetzungsmöglichkeiten
für mobile Anwendungen zur Verknüpfung von Benutzer und Karte unter Verwendung
der NFC-Technologie analysiert und ausgewertet. Anschließend wird ein
funktionaler Prototyp für Smartphones der Android-Plattform entwickelt, der die einfache
Einbindung weiterer Funktionalität ermöglichen soll.
Der entwickelte Prototyp ist im Hochschulnetz testweise für die Registrierung und
Deregistrierung von NFC-Karten einsetzbar. Vor einer realen Nutzung des Systems
müssen der Datenschutz und andere organisatorische und rechtliche Pflichten, wie
zum Beispiel das Telemediengesetz, berücksichtigt werden.
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
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.
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.
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 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.
Informationslücken sind in der Notfallmedizin besonders folgenschwer, da sie zu einer
ineffizienten Versorgung der Patienten führen und lebensbedrohlich sein können. Sie
entstehen, wenn Patienten sich nicht mehr adäquat artikulieren können oder nicht wissen, welche Vorerkrankungen sie haben und welche Medikamente sie einnehmen. So kann es beispielsweise zu schwerwiegenden Wechselwirkungen zwischen Medikamenten kommen oder zu allergischen Reaktionen auf ein Medikament.
Im Rahmen dieser Arbeit soll ein System entwickelt werden, das diese Informationslücken zwischen Patienten und Erst- und Zweithelfern schließen soll. Es besteht aus einer mobilen Anwendung für Android Smartphones und NFC-Tags. Dazu schreiben
Patienten ihre medizinischen Notfalldaten mit der mobilen Anwendung auf einen NFC-Tag. Diesen NFC-Tag tragen sie in Form einer Halskette, eines Armbands, eines Schlüsselanhängers o. ä. bei sich. In einem Notfall können Erst- und Zweithelfer diesen
NFC-Tag mit der mobilen Anwendung auslesen und bekommen so Informationen über den Patienten geliefert.
Die implementierte mobile Anwendung kann testweise für Evaluationen eingesetzt werden.
Für einen produktiven Einsatz müssen allerdings organisatorische sowie rechtliche
Pflichten wie der Datenschutz oder das Medizinproduktegesetz berücksichtigt werden.
Ziel dieser Bachelorthesis ist es, den Datenbestand des Klinischen Krebsregisters am
Tumorzentrum Heilbronn-Franken auf seine Vollständigkeit, Vollzähligkeit und seine
Repräsentativität zu untersuchen.
Diese werden am Beispiel des Kolorektalen Karzinoms untersucht.
Folgende Fragen lassen sich formulieren:
• Lassen sich mit den in einem einrichtungsbezogenen klinischen Krebsregister, wie
dem am Gesundbrunnen Heilbronn, erhobene regionale Daten ggfs. überregionale und
eventuell sogar bundesweite Aussagen ableiten?
• Sind die erfassten Daten vollständig bzw. wie vollständig sind die Datenbestände der
registrierten Patienten?
• Sind die erfassten Daten im Tumorzentrum Heilbronn-Franken am Gesundbrunnen
Heilbronn vollzählig? Werden im Klinischen Krebsregister der SLK-Kliniken alle
Neuerkrankungen erfasst?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Im Rahmen eines Kooperationsprojektes zwischen dem Heidelberger Institut für Medizinische Informatik und Biometrie (IMBI) und der Mund- Kiefer und Gesichtschirurgie (MKG) des Universitätsklinikums Heidelberg soll ein MITK-Plugin für die Segmentierung von knöchernen Strukturen aus Schichtbilddaten der Computertomographie (CT), sowie der digitalen Volumentomographie (DVT) mit möglichst wenigen Nutzerinteraktionen entwickelt und evaluiert werden.
Hierbei ist insbesondere eine hohe Segmentierungsqualität im Bereich des Kiefers und der Zähne relevant. Dabei erweisen sich Zahnspangen bzw. Zahnfüllungen als besondere Herausforderung. Die Arbeit, sowie das MITK-Plugin behandelt drei Aufgabenbereiche. Es handelt sich dabei um die Metallartefaktreduktion (MAR), Segmentierung und Oberflächenrekonstruktion. Die bildbasierte Artefaktreduktion kann auf CT-Datensätze entweder manuelle oder automatisch angewendet werden. Dabei stehen zwei verschiedene Methoden zur Auswahl. Es handelt sich dabei um die lineare Interpolation (LI) und die rohdatenfreien MAR (RFMAR). Ziel der Artefaktreduktion ist eine verbesserte 3D-Visualisierung. Dabei zeigen die Methoden stellenweise eine Verbesserung durch reduzierte schwarzer Schatten im Bereich der Metalle. Problematisch wirken sich neue Artefakte, welche durch die Reduktion enstehen, auf das Ergebnis der 3D-Visualierung aus. Für die Segmentierung sind zwei Verfahren implementiert worden. Es handelt sich dabei um ein eigenes automatisches Verfahren LCC (Largest Connected Component), und um einen Region Grower. Das automatische Verfahren ist hierbei robust gegenüber einer ungewollt segmentierten Patientenliege, hat aber den Nachteil dass unter Umständen nicht alle knöchernen Strukturen segmentiert werden. Für diesen Fall kann der Region Grower eingesetzt werden, welcher durch Benutzerinteraktion den Nachteil des LCC-Verfahrens ausgleicht. Die Verfahren zeigen im Bezug auf CT-Datensätze gute Ergebnisse. Durch den schlechten Knochenkontrast des verwendeten DVT-Gerätes müssen bei der Segmentierung der DVT-Datensätze Kompromisse eingegangen werden. Durch eine Histogramm-Analyse hat sich für die automatische Schwellwertbestimmung nach Otsu eine Mindestanzahl von drei Otsu-Schwellwerten ergeben. Weiterhin wurde das LCCVerfahren gegenüber einer Referenzsegmentierung eines MKG-Chirurgen evaluiert. Die Evaluierung zeigt, dass die Wahl zwischen drei und sechs Otsu-Schwellwerte keine signifikanten Auswirkungen auf die Genauigkeit der Segmentierung hat. Durch einen Kompromiss zwischen Laufzeit und Segmentierungsqualität wird die Verwendung von vier Otsu-Schwellwerten empfohlen.
In der Kernresonanzspektroskopie, wie auch in anderen spektroskopischen Disziplinen, unterliegt die
Genauigkeit und Vollständigkeit eines Spektrums den verschiedenen Einstellungen des Messgeräts
sowie dem verwendeten Gerätetypen. Um das gemessene Spektrum besser analysieren zu können,
wird versucht, es an die Realität anzunähern. Eine allgemeine Annahme dazu ist, dass mehrere, sich
teilweise überlagernde Peaks das Spektrum bilden. Alle Peaks verlaufen dabei gemäß einer Funktion,
deren Modellparameterwerte variieren.
Es gibt verschiedene Ansätze zur Bestimmung des Spektrums, zum Beispiel die Modellanpassung und
die Maximum-Entropie-Methode. Eine große, gegen Unendlich strebende Anzahl an Peaks scheint
die gemessenen Spektrumdaten am besten nachzubilden. Dies ist jedoch wenig naturgetreu.
In dieser Arbeit gehe ich dem Bayes’schen Ansatz zur Datenanalyse nach, um die Peakanzahl auszumachen,
für die die größte Wahrscheinlichkeit in den Messdaten liegt.
Während meiner Diplomarbeit hat sich die anfängliche Annahme, dass die Peaks nach der Lorentz-
Funktion geformt sind, revidiert. Letztendlich habe ich versucht, die Bestimmung der Peakanzahl mit
Peaks in Form des Pseudo-Voigt-Profils durchzuführen.
Für die Berechnung der Posterior-Wahrscheinlichkeit einer Peakanzahl war es nötig, ein multiples
Integral zu lösen. Dieses entstand durch die Marginalisierung einiger Störparameter.
Ein Ziel dieser Diplomarbeit war es, das multidimensionale Integral numerisch zu berechnen. Umgesetzt
werden sollte dies mit dem VEGAS-Algorithmus, der das Monte-Carlo-Verfahren zur Integration
verwendet. Ich habe den Algorithmus und die Anwendungen der Arbeit in Matlab implementiert.
Um die Integration mit dem VEGAS-Algorithmus zu testen, habe ich eine Beispielanwendung zur
Integration unterschiedlich dimensionaler Rosenbrock-Funktionen durchgeführt.
Die Anwendung zur Bestimmung der Peakanzahl in einem Spektrum habe ich zunächst für simulierte
Daten mit zwei unterschiedlichen Formeln der Lorentzfunktion umgesetzt.
Die erste Lorentzfunktion enthält zwei Modellparameter, die Lage der Amplitude und die Halbwertsbreite,
und ist zu eins normiert. Bei ihr ist die Amplitude abhängig von der Halbwertsbreite.
Die zweite Formel besteht aus drei unabhängigen Modellparametern: der Amplitude, ihrer Lage und
der Halbwertsbreite. Damit ist sie für die Auswertung realer Messdaten geeigneter als die vorherige
normierte Lorentzfunktion.
Bei der Anwendung mit simulierten Daten mit drei Modellparametern sowie mit gemessenen Daten
und dem Modell des Pseudo-Voigt-Profils konnte die Anzahl der Peaks nicht bestimmt werden.
Die Schwierigkeit der Bestimmung der Peakanzahl mit dem VEGAS-Algorithmus lag anscheinend
bei der Integration über die Amplitude. Zur Klärung des Problems habe ich die Anwendung mit
dem Pseudo-Voigt-Profil und den realen Messdaten über einen anderen Lösungsweg zur numerischen
Integration, mit einer Likelihood-Matrix, untersucht.
Dadurch kam die Vermutung auf, dass die Diskretisierung in y-Richtung durch das Importance
Sampling des VEGAS-Algorithmus nicht konform mit der Messpunktverteilung ist. Ich habe versucht
über eine Präzisionsanpassung der Amplitudenstützwerte das Problem zu lösen, was teilweise gelang.
Die in dieser Arbeit erstellte Anwendung kann zur Plausibilitätsprüfung von Ergebnissen anderer
Bayes’ basierter Verfahren zur Peakanzahlbestimmung dienen.
Mit geschätzten Werten für die Modellparameter aller Peaks wird die multiple Integration mit dem
VEGAS-Algorithmus nicht gebraucht. Die Posterior-Wahrscheinlichkeiten können somit berechnet
werden und eine quantitative Bewertung der Ergebnisse unterschiedlicher Peakzahlen für das gemessene
Spektrum liefern.
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
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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.
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– Einen schnellen Überblick über die Möglichkeiten geben, um mit den Algorithmen
ohne großes Vorwissen zu arbeiten.