600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Spinodal Zr0.4Hf0.6Ni1.15Sn half-Heusler thermoelectrics are synthesized and aged. The complex microstructure due to the spinodal decomposition is investigated by powder X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). By Rietveld refinements, it is confirmed that excess Ni atoms in the arc-melted and spark-plasma-sintered half-Heusler matrix prefer to form nanoscale/ submicron Heusler precipitates via spinodal decomposition and growth during the aging at 1173 K. Such phase separation changes the band gap of semiconductors, reduces the thermal conductivity drastically and improves the performance of thermoelectrics. As a result, a more than 50 % improvement of the ZT value on the unaged specimens was achieved.
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.
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.
Die meisten Internetzugriffe erfolgen heute über das Smartphone. Während vor dem Jahr
2010 überwiegend der PC dafür verwendet wurde, nutzten 2016 81% aller Internet-User
ein Mobiltelefon für den Online-Zugang [1]. Die digitale Modulation von HF-Signalen ist
dabei immer von Bedeutung, unabhängig ob WLAN oder ein Mobilfunkstandard, wie
LTE angewandt wird. Die Weiterentwicklung drahtloser Kommunikationstechnik für das
Internet erscheint als interessante Alternative zur leitungsbasierten Anbindung an das
Breitbandnetz. Der Ausbau mit Glasfaserkabeln ist kostenintensiv, zeitaufwendig und
bei der Versorgung abgelegener Orte für den Provider unrentabel. Aus technischer Sicht
können drahtlose Anbindungen sogar zu einer Verringerung zeitlicher Verzögerungen
führen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen ist in Luft höher
als in Kupfer oder Glas [2]. Das Mobilfunknetz ist allerdings nicht zur flächendeckenden
Internetversorgung von PCs vorgesehen. Alle Online-Zugriffe durch Mobilfunk in einem
bestimmten Gebiet erfolgen über die selbe Funkzelle einer Basisstation. Bei gleichzeitiger
Benutzung durch viele Teilnehmer, reduziert sich die Datenrate merklich. Einige Mobilfunkbetreiber
verbieten rechtlich die ausschließliche Nutzung des Mobilfunk-Internets für
PCs [3]. Die Zugangskosten für den Verbraucher sind deutlich teurer als bei DSL. Zudem
existieren kaum Tarife für unbegrenzten Zugang. Genauso wie beim Leitungsnetz sind lokale
Schwankungen der Internetgeschwindigkeit vorhanden. Während beim Kabelzugang
die Geschwindigkeit vorherbestimmt werden kann, ist sie beim Mobilfunk individuell
auszutesten. Notebooks und Desktop-PCs besitzen in der Regel keine Empfangseinrichtung
für Mobilfunk. LTE-Router übersetzten das Protokoll in den WLAN-Standard.
Diese Umwandlung erfolgt durch separate Geräte oder als integrierte Funktion in einem
Smartphone (Hotspot). Einige dieser Router bieten auch einen Kabelzugang zum PC,
um die Verluste der WLAN-Verbindung zu vermeiden. Sie werden häufig in Form von
USB-Sticks angeboten. Die private Nutzung des Mobilfunk-Internets für PCs ist also
mit Einschränkungen verbunden. Für Unternehmen ist dies meist nicht hinnehmbar.
Die geschilderten Hindernisse bedeuten allerdings nicht, dass das Internet grundsätzlich
leitungsgebunden vermittelt wird und in drahtlose Online-Technologien zukünftig keine
Investitionen fließen. Die Richtfunkanbindung von Basisstationen erfolgt, wenn sich
das Verlegen von Leitungen nicht lohnt (Abbildung 1). Die Umwandlung im Großen ähnelt
dem Prinzip der privaten Hotspots. Eine Richtfunkantenne empfängt die gebündelte
elektromagnetische Energie. Nach der Umwandlung senden mehrere Sektorantennen mit
Rundstrahlcharakteristik die Wellen in das Umfeld des Masts. Außerdem ist die weitere
Übertragung nach einer Richtfunkstrecke durch ein Kabel möglich. Dementsprechend
kann das Internet über Richtfunkabschnitte zum Verbraucher gelangen, auch wenn es
schließlich beim Router über ein Kabel ankommt.
Ein Tumor ist eine örtlich umschriebene Zunahme des Gewebevolumens, im engeren
Sinn eine gewebliche Neubildung, ein Geschwür in Form eines enthemmten und
irreversiblen Überschusswachstums von körpereigenem Gewebe [33].
,,In Europa sind 3-5% [...] aller malignen Tumoren des Menschen Tumoren der Mundhöhle,
davon stellen die Plattenepithelkarzinome mit 95% den größten Anteil.” [28].
Nur 25-40% der Patienten mit Lymphknotenmetastasierung erreichen die 5-Jahres-Überlebensrate im Gegensatz zu ca. 90% der Patienten ohne Metastatisierung [29].
Oft werden diese Tumore spät erkannt und müssen deshalb durch eine Operation
entfernt werden. Das Plattenepithelkarzinom kann den Kiefer infiltrieren, die notwendige
Resektion des Tumors kann zu einer Verschlechterung der Ästhetik, zum Verlust der Kaufunktionalität und der Sprechfunktionalität führen.
Im Universitätsklinikum Heidelberg (UKHD) werden verschiedene Verfahren zur
Rekonstruktion angewandt, wie die Rekonstruktion mithilfe der körpereigenen Fibula(dt.Wadenbein), deren Schaft dafür entnommen wird. Aus diesem Schaft werden Segmente gesägt, mit welchen dann der ursprüngliche Verlauf der Mandibula
(dt. Unterkiefer), in dem resezierten Bereich, rekonstruiert wird. Die Rekonstruktion
erfolgt mit einer speziellen Platte auf welcher die Fibulasegmente befestigt werden. Diese Platte wird anschließend am Restunterkiefer fixiert.
Die Schwierigkeit besteht in der Nachbildung des Unterkieferverlaufs und der Erhaltung
des Kiefergelenks. Bei dieser Operation muss die Ischämiezeit, die Zeit, welche ein Organ ohne Blutversorgung schadlos überstehen kann, berücksichtigt
werden. Ohne eine genaue Schnittführung ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass
die gesägten Segmente nachbearbeitet werden müssen, was wiederum ein zeitliches
Problem ist.
Deshalb wird Rekonstruktion mit Cutting-Guides (dt. Sägeschnittschablone) unterstützt. Diese Guides werden nach der Planung der Operation angefertigt. Sie
werden in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (MKG) des UKHD von einem
Zahntechniker hergestellt. Alternativ gibt es industrielle Dienstleister, die diese Guides herstellen können. Diese sind jedoch wesentlich teurer als die in der MKG etablierte Lösung.
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.
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 .
Development and validation of a neural network for adaptive gait cycle detection from kinematic data
(2020)
(1) Background: Instrumented gait analysis is a tool for quantification of the different
aspects of the locomotor system. Gait analysis technology has substantially evolved over
the last decade and most modern systems provide real-time capability. The ability to
calculate joint angles with low delays paves the way for new applications such as real-time
movement feedback, like control of functional electrical stimulation in the rehabilitation
of individuals with gait disorders. For any kind of therapeutic application, the timely
determination of different gait phases such as stance or swing is crucial. Gait phases are
usually estimated based on heuristics of joint angles or time points of certain gait events.
Such heuristic approaches often do not work properly in people with gait disorders due to
the greater variability of their pathological gait pattern. To improve the current state-ofthe-
art, this thesis aims to introduce a data-driven approach for real-time determination
of gait phases from kinematic variables based on long short-term memory recurrent neural
networks (LSTM RNNs).
(2) Methods: In this thesis, 56 measurements with gait data of 11 healthy subjects,
13 individuals with incomplete spinal cord injury and 10 stroke survivors with walking
speeds ranging from 0.2 m
s up to 1 m
s were used to train the networks. Each measurement
contained kinematic data from the corresponding subject walking on a treadmill for 90
seconds. Kinematic data was obtained by measuring the positions of reflective markers on
body landmarks (Helen Hayes marker set) with a sample rate of 60Hz. For constructing a
ground truth, gait data was annotated manually by three raters. Two approaches, direct
regression of gait phases and estimation via detection of the gait events Initial Contact
and Final Contact were implemented for evaluation of the performance of LSTM RNNs.
For comparison of performance, the frequently cited coordinate- and velocity-based event
detection approaches of Zeni et al. were used. All aspects of this thesis have been
implemented within MATLAB Version 9.6 using the Deep Learning Toolbox.
(3) Results: The mean time difference between events annotated by the three raters
was −0.07 ± 20.17ms. Correlation coefficients of inter-rater and intra-rater reliability
yielded mainly excellent or perfect results. For detection of gait events, the LSTM RNN
algorithm covered 97.05% of all events within a scope of 50ms. The overall mean time
difference between detected events and ground truth was −11.62 ± 7.01ms. Temporal
differences and deviations were consistently small over different walking speeds and gait
pathologies. Mean time difference to the ground truth was 13.61 ± 17.88ms for the
coordinate-based approach of Zeni et al. and 17.18 ± 15.67ms for the velocity-based
approach. For estimation of gait phases, the gait phase was determined as a percentage.
Mean squared error to the ground truth was 0.95 ± 0.55% for the proposed algorithm
using event detection and 1.50 ± 0.55% for regression. For the approaches of Zeni et al.,
mean squared error was 2.04±1.23% for the coordinate-based approach and 2.24±1.34%
for the velocity-based approach. Regarding mean absolute error to the ground truth, the
proposed algorithm achieved a mean absolute error of 1.95±1.10% using event detection
and one of 7.25 ± 1.45% using regression. Mean absolute error for the coordinate-based
approach of Zeni et al. was 4.08±2.51% and 4.50±2.73% for the velocity-based approach.
(4) Conclusion: The newly introduced LSTM RNN algorithm offers a high recognition
rate of gait events with a small delay. Its performance outperforms several state-of-theart
gait event detection methods while offering the possibility for real-time processing
and high generalization of trained gait patterns. Additionally, the proposed algorithm
is easy to integrate into existing applications and contains parameters that self-adapt
to individuals’ gait behavior to further improve performance. In respect to gait phase
estimation, the performance of the proposed algorithm using event detection is in line
with current wearable state-of-the-art methods. Compared with conventional methods,
performance of direct regression of gait phases is only moderate. Given the results,
LSTM RNNs demonstrate feasibility regarding event detection and are applicable for
many clinical and research applications. They may be not suitable for the estimation
of gait phases via regression. For LSTM RNNs, it can be assumed, that with a more
optimal configuration of the networks, a much higher performance is achieved.
Entwicklung eines haptischen Interfaces für die roboterassistierte Ultraschallbildakquisition
(2021)
Motivation:
Die Bedienung eines Roboters bei einer roboterassistierten Ultraschallbildakquisition
zur Lagekontrolle eines Tumors während einer Strahlentherapie ist mit einem groÿen
Aufwand verbunden. Eine externe Applikation oder ein externes Bediengerät ist dazu
notwendig. In dieser Arbeit wird die intuitivere Möglichkeit erforscht, dem Roboter
Befehle durch Berührungen zu erteilen. Für eine solche Gestensteuerung wird anhand
von Sensordaten eines sensitiven Leichtbauroboters bewertet, inwieweit eine Steuerung
durch ein haptisches Interface umsetzbar ist und dafür ein Klassifikator entwickelt.
Methodik:
Die Erhebung der Sensordaten erfolgte an einem KUKA LBR-iiwa7-800 Roboter. Es
wurden acht repräsentative Gesten für ein haptisches Interface definiert. Diese Gesten
wurden an verschiedenen Roboterposen von Probanden ausgeführt, während Sensordaten
erhoben wurden. Die Messungen wurden im statischen Zustand des Roboters
und im Impedanzmodus des Roboters durchgeführt, da mithilfe des Impedanzmodus
die Atemkompensation während einer Ultraschallbildakquisition realisiert wird. Die
Messdaten wurden in Matlab ausgewertet.
Ergebnisse:
Vier der definierten Gesten sind allein durch Bestimmung der kartesischen Kräfte x, y z
detektierbar und voneinander unterscheidbar. Diese vier Gesten sind Gesten, die durch
Berührung am Tool (Ultraschallkopf) oder Toolnähe (Roboterhand) ausgeführt werden.
Die Unterscheidung von Gesten, die am Roboterellenbogen ausgeführt wurden,
ist anhand der kartesischen Kräfte nicht möglich. An Roboterposen, die singularnahe
oder singulare Achsstellungen aufweisen, ist eine Detektion von Gesten ebenfalls problematisch.
Ansonsten ist eine Detektion posen- und nutzer-unabhängig durchführbar.
In Messungen während einer Atemkompensation wurden diese Gesten ebenfalls richtig
detektiert.
Fazit:
Ein haptisches Interface für roboterassistierte Ultraschallbildakquisition ist realisierbar
für Gesten, die am Roboter in der Nähe des TCPs ausgeführt werden. Für die Detektion
und Klassifizierung dieser Gesten ist die Krafteinschätzung am TCP ausreichend.
Implementation of an interactive pattern mining framework on electronic health record datasets
(2019)
Large collections of electronic patient records contain a broad range of clinical information highly relevant for data analysis. However, they are maintained primarily for patient administration, and automated methods are required to extract valuable knowledge for predictive, preventive, personalized and participatory medicine. Sequential pattern mining is a fundamental task in data mining which can be used to find statistically relevant, non-trivial temporal dependencies of events such as disease comorbidities. This works objective is to use this mining technique to identify disease associations based on ICD-9-CM codes data of the entire Taiwanese population obtained from Taiwan’s National Health Insurance Research Database.
This thesis reports the development and implementation of the Disease Pattern Miner – a pattern mining framework in a medical domain. The framework was designed as a Web application which can be used to run several state-of-the-art sequence mining algorithms on electronic health records, collect and filter the results to reduce the number of patterns to a meaningful size, and visualize the disease associations as an interactive model in a specific population group. This may be crucial to discover new disease associations and offer novel insights to explain disease pathogenesis. A structured evaluation of the data and models are required before medical data-scientist may use this application as a tool for further research to get a better understanding of disease comorbidities.