Informatik
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3D-Ultraschall beim MITK
(2017)
In dieser Bachelorthesis wird ein Frei-Hand-3D-Ultraschallsystem entwickelt. Dieses
soll 3D-Ultraschallbildgebung im MITK ermöglichen. Basis hierfür sind ein konventionelles
2D-Ultraschallgerät und ein optisches Trackingsystem. Die nötigen Teilschritte
werden erläutert und beschrieben.
Ergebnis ist ein Plugin für das MITK, das aus aufgenommenen 2D-Ultraschallbildern
ein 3D-Volumen berechnet.
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?
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 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.
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.
Die Online-Enzyklopädie Wikipedia kann für die Analyse der Beziehungen zwischen
Konzepten als wertvolle Datenquelle dienen. Aus ihren klar deffinierten Strukturen,
wie z.B. der baumartigen Kategorisierung, Weiterleitungen, Infoboxen und Links zwischen
Artikeln ergibt sich die Möglichkeit, ausgehend von einem bestimmten Konzept
eine Fülle enzyklopädischen Wissens zu extrahieren, das für viele Anwendungszwecke
in der medizinischen Informatik genutzt werden kann. Trotz der einfachen Verfügbarkeit
von Wikipedia-MySQL-Backups ist es weder besonders intuitiv noch effizient,
diese Beziehungen direkt aus diesen relationalen Datenbanken abzuleiten. Stattdessen
wäre ein weitaus intuitiverer Ansatz für die Datenanalyse, die genannten Strukturen
und ihre Beziehungen zueinander als Knoten und Kanten in einem Graphen abzubilden.
Ausgehend von einem bestehenden Wikipedia-Graph-API zielte diese Arbeit
darauf ab, ein effizientes System zu entwickeln, das Wikipediastrukturen aus einem
MySQL-Backup extrahiert, diese verarbeitet und in eine Graphdatenbank speichert.
Eine Analyse von Graphdatenbank-Managementsystemen im Rahmen dieser Arbeit
ergab, dass Neo4j für diesen Anwendungszweck optimal geeignet ist, da seine Anfragesprache
Cypher eine intuitive Möglichkeit darstellt, Graphdaten zu analysieren. Das
Ergebnis dieser Arbeit ist NeoWiki, ein System, das sowohl eine Möglichkeit zur Generierung
von strukturellen Wikipedia-Graphen bietet als auch als Java Library die
Arbeit mit den erstellten Graph-Entitäten als Java-Objekten unterstützt. Obgleich
derzeit noch Raum für Verbesserungen hinsichtlich der Performance bei der Graphgenerierung
besteht, stellt NeoWiki doch bereits jetzt ein Tool zur intuitiven Analyse
von Wikipedia-Daten dar.
Die heutige Software-Entwicklung ist davon geprägt, dass Anwendungen immer komplexer
und aufwändiger werden. Gleichzeitig steigen die Erwartungen der Kunden an
die Qualität der Software.
Für die Software-Entwickler ist die Telemetrie zu einem unverzichtbaren Werkzeug
geworden. Sie ist ein wesentlicher Baustein, um die Beobachbarkeit (Observability)
von Applikationen zu erhöhen und somit die Grundlage für eine bessere Qualität in
der Software Entwicklung. Hierbei ist zu analysieren, welche Bedeutung die Telemetrie
für den gesamten Software Development Life Cyle hat.
Der aktuelle Stand der Software-Telemetrie wird am Beispiel des Projektes OpenTelemetry
dargelegt.
OpenTelemetry hat sich zum Ziel gesetzt, die universelle Plattform für den Austausch
von Telemetriedaten zu werden.
Die Ergebnisse des Projektes OpenTelemetry werden analysiert und bewertet.
In dieser Arbeit wird eine Software entwickelt, um das Koppeln des Thalmic MYOArmbands
mit dem Stimulator MotionStim8 zu vereinfachen. In einer vorherigen Arbeit
[15] wurden für die Kopplung MATLAB Skripte benutzt. Diese sollen durch die
Software vollständig ersetzt werden. Auÿerdem soll der Stimulator eine drahtlose Anbindung
über zwei British Broadcasting Corporation (BBC) micro:bit Systeme erhalten.
Dazu wird zuerst eine Anforderungsanalyse durchgeführt, woraus konkrete UseCases der
Software formuliert werden konnten. Hierzu werden aus der Problemstellung und den
daraus resultierenden Zielen dieser Arbeit Funktionale und nicht-Funktionale Anforderungen
extrahiert. Es müssen Gesten, sowie deren Myo- und Stimulations-Daten verwaltet
werden können. Auch müssen sowohl Myo-Armband als auch MotionStim8 drahtlos
angebunden, sowie gekoppelt werden.
Nachdem die Anforderungen feststehen, wird ein Konzept zur Umsetzung entwickelt.
Dazu wird eine Entwicklungsumgebung gewählt und eine Softwarearchitektur ausgearbeitet.
Es wird ein Model-View-Controller (MVC)-Modell angestrebt. Für die Entwicklungsumgebung
der Steuersoftware wird VisualStudio, bzw. C#, und für die drahtlos
Anbindung Mu, bzw. MicroPython, verwendet. Auch wird eine Übersicht über die Komponenten
angefertigt. Daraus sind die Hardware-Schnittstellen, PC zu micro:bit, micro:
bit zu micro:bit, micro:bit zu MotionStim8, sowie Myo-Armband zu PC, ableitbar.
Für das Myo-Armband existieren bereits Software-Bibliotheken, welche eingebunden werden
können und somit das Entwickeln einer eigenen Schnittstelle nicht notwendig machen.
Zum Schluss der Konzeption werden Ideen für eine Benutzeroberäche erarbeitet. Dafür
werden die Nicht-Funktionalen Anforderungen, modularer Aufbau sowie Benutzerfreundlichkeit
und Übersichtlichkeit, aus der Anforderungsanalyse aufgegrien. In dieser Phase
werden bereits erste MockUps erstellt.
Die Implementierung ndet in zwei Schritten statt.
Die Drahtlosfunktion, bzw. der Python-Teil, kann separat entwickelt werden. Dafür werden
die seriellen Schnittstellen, PC zu micro:bit und micro:bit zu MotionStim8, sowie
die Übertragung zwischen den beiden micro:bits implementiert. Auÿerdem werden die
Befehle im micro:bit an die benötigte Command Structure des Stimulators angepasst.
Die Steuersoftware beinhaltet eine Graphical User Interface (GUI) mit modulübergreifenden
Funktionen. Die einzelnen Module, Myo Controller, Stimulation Controller und
Gesture Controller besitzen ihre eigene Oberäche und können in die GUI modular integriert
werden. Die Gesten-, Myo- und Stimulations-Daten können über das jeweilige
Modul verwaltet werden. Über das Beenden der Anwendung hinaus werden alle Daten
in einer Extensible Markup Language (XML)-Datei gespeichert. Die Kopplung des Myo-
Armbands mit dem MotionStim8 ndet über einen Mapper statt, welcher eine Mapping-
Matrix für eine Geste errechnet. Dafür müssen vorab Myo- und Stimulations-Daten für
jede Position dieser Geste gesetzt werden. Die Echtzeitfunktion wird übergeordnet über
die GUI gestartet und berechnet für eingehende Myo-Daten die Pulsweiten für die Stimulation.
Für diese Berechnung wird die Mapping-Matrix benötigt.
Hiernach kann die entwickelte Steuersoftware für die denierten Anforderungen, bzw.
UseCases, verwendet werden.
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 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.