Informatik
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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?
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.
A considerable amount of research in the field of modern robotics deals with mobile agents and their autonomous operation in unstructured, dynamic, and unpredictable environments. Designing robust controllers that map sensory input to action in order to avoid obstacles remains a challenging task. Several biological concepts are amenable to autonomous navigation and reactive obstacle avoidance.
We present an overview of most noteworthy, elaborated, and interesting biologically-inspired approaches for solving the obstacle avoidance problem. We categorize these approaches into three groups: nature inspired optimization, reinforcement learning, and biorobotics. We emphasize the advantages and highlight potential drawbacks of each approach. We also identify the benefits of using biological principles in artificial intelligence in various research areas.
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.
Every year, hundreds of thousands of patients are affected by treatment failure or adverse drug reactions, many of which could be revented by pharmacogenomic testing. To address these deficiencies in care, clinics require
automated clinical decision support through computer based systems, which provide clinicians with patient-specific ecommendations. The primary knowledge needed for clinical pharmacogneomics is currently being
developed through textual and unstructured guidelines.
In this thesis, it is evaluated whether a web service can annotate clinically relevant genetic variants with guideline information using web services and identify areas of challenge. The proposed tool displays a formal representation of pharmacogenomic guideline information through a web service and existing resources. It enables the annotation of variant call format (VCF) files with clinical guideline information from the Pharmacogenomic Knowledge Base (PharmGKB) and Clinical Pharmacogenetics Implementation Consortium (CPIC).
The applicability of the web service to nnotate clinically relevant variants with pharmacogenomics guideline information is evaluated by translating five guidelines to a web service workflow and executing the process to annotate publically available genomes. The workflow finds genetic variants covered in CPIC guidelines and influenced drugs.
The results show that the web service could be used to annotate in real time clinically relevant variants with up-to-date pharmacogenomics guideline information, although several challenges such as translating variants into star allele nomenclature and the absence of a unique haplotype nomenclature
remain before the clinical implementation of this approach and the use on other drugs.
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.
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.
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 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 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.