600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Institute
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.
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.
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.
Dynamische Feldschwächung bei am einphasigen Netz betriebenen EC-Motoren mit schlankem Zwischenkreis
(2017)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Betrieb von einphasig gespeisten ECLüftermotoren
mit schlankem Zwischenkreis. Beim einphasigen Industrienetz besteht das
Problem, dass im Lüftermotor aufgrund der bis auf null Volt pulsierenden Zwischenkreisspannung
ein Luftspaltdrehmoment mit hohem Anteil an Oberschwingungen auftritt. Um
dies zu vermeiden, müssen in der Praxis diskrete Speicherelemente wie
Elektrolytkondensatoren und Eisenkerndrosseln als Energiespeicher in den Zwischenkreis
des Umrichters eingebaut werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Verfahren
vorgestellt, welches ein nahezu konstantes Luftspaltdrehmoment bei einphasig gespeisten
EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis gewährleistet. Mit dem Verfahren, der so
genannten dynamischen Feldschwächung, können die bislang erforderlichen Energiespeicher
wie Spulen und Elektrolytkondensatoren ersetzt werden.
Zur Herleitung des Verfahrens der dynamischen Feldschwächung sind auf der Basis eines
sättigungsfrei und damit linear arbeitenden Lüftermotors die notwendigen mathematischen
Grundgleichungen entwickelt worden. Der Ansatz eines sättigungsfrei arbeitenden
Lüftermotors erlaubt die einfache Umsetzung einer Konstruktionsvorschrift für einen speziell
auf das Verfahren abgestimmten Motor auf Basis der regelungstechnisch relevanten
Motorparameter. Mithilfe eines nichtlinearen Kalman-Filters zur automatischen Bestimmung
der regelungstechnischen Motorparameter wird dann der gebaute sättigungsfrei arbeitende
Lüftermotor auf einem Prüfstand vermessen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Verfahren der
dynamischen Feldschwächung eine gute Übereinstimmung zwischen den analytischen und
den simulierten Ergebnissen liefert.
Das Verfahren der dynamischen Feldschwächung kommt bei einer mittleren Motorleistung
von etwa P123 = 200 W und einem Wirkungsgrad von ca. η = 80 % mit einer sehr kleinen
Zwischenkreiskapazität von Czk = 14 μF aus. Im Vergleich dazu benötigt ein Serienlüftermotor
eine Zwischenkreiskapazität von Czk = 204 μF.
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.
Auf dem Markt der Android Applikationen gibt es ein breites Spektrum an
Lernanwendungen. Allerdings exisitiert ein Mangel an gut strukturierten
inhaltlichen Zusammenfassungen der schulischen Themen, gerade im
Fach Mathematik.
Mein Ziel der Bachelorarbeit ist, eine Education App zu entwickeln, diese
im realen Betrieb zu testen und somit einen Lösungsansatz für den
Mangel an solchen Apps zu erhalten. Ich werde am Beispiel der 8. Klasse
Realschule im Fach Mathematik eine thematische Zusammenfassung
erzeugen und als App umsetzen. Mathematische Grundlage hierfür bildet
das Schulbuch Schnittpunkt 8 des Klettverlages (Differenzierende
Ausgabe, 2015).
Bugfixing und Evaluierung verläuft Hand in Hand, um am Ende des
Entwicklungsprozesses eine voll funktionsfähige, getestete App zu
bekommen.
Mit Hilfe eines Fragebogens wird dabei direkt auf die Zielgruppe
eingegangen.
Die App wird im Anschluss des Entwicklungsprozesses nach dem Open-
Closed Prinzip fungieren. Ist also für Erweiterungen offen. Diese Funktion
erreiche ich durch genau definierte Schnittstellen. Es wird möglich sein,
neue Klassen ebenso wie Schularten hinzuzufügen. Als
Entwicklungsumgebung dient mir IntelliJ, als Testgerät ein Samsung
Smartphone.
Die App wird den Namen MaTHive Spectre tragen, um direkt auf das
Potential aufmerksam zu machen und einen einprägsamen Namen zu
erhalten.
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.
Konzeption und Entwicklung einer robotergestützten und ultraschallbasierten Lokalisationskontrolle
(2018)
Mit Hilfe der Image Guided Therapy wird versucht die Bestrahlung von Tumoren mittels
Bildgebung zu verbessern und die Nebenwirkungen durch die Bestrahlung für den
Patienten zu minimieren. Diese Arbeit verfolgt den Ansatz Ultraschall als echtzeitfähige
Bildverarbeitungsmodalität zu nutzen und darüber eine Lokalisationskontrolle
von Tumoren während der Bestrahlung zu ermöglichen.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Implementierung eines Gesamtkonzeptes
zur ultraschallbasierten und robotergestützten Lokalisationskontrolle. Ergebnis der
Arbeit ist eine auf dem medizinischen Bildverarbeitungsprogramm MITK basierte Applikation.
Diese erlaubt es ein 2D Ultraschallbild über ein Tracking-System oder den
Roboter zu referenzieren und mit registrierten Planungsdaten überlagert darzustellen.
Die Darstellung ist dabei in quasi Echtzeit sowohl in 2D als auch in 3D möglich. Zur
Registrierung wurde ein optisches Tracking-System verwendet, welches über einen eigens
neu entwickelten Filter mit dem Roboter verknüpft werden kann. Weiter lässt
sich aus der Applikation heraus der Roboter steuern und es können automatisierte
Scanverfahren genutzt werden, um mit Hilfe eines 2D Ultraschallkopfes ein 3D Ultraschallbild
zu erstellen. Die Anwendung knüpft an bestehenden Funktionen an und
erlaubt es künftigen Nutzern die neu erstellten Komponenten auch getrennt voneinander
weiter zu verwenden. Dazu gehören Filter für die Zuordnung der Ultraschallbilder,
sowie ein Filter zum Kombinieren von verschiedenen Tracking-Systemen, als auch die
Möglichkeit den Roboter zu nutzen.