610 Medizin, Gesundheit
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This paper investigates the possibility to effectively monitor and control the respiratory action using a very simple and non invasive technique based on a single lightweight reduced-size wireless surface electromyography (sEMG) sensor placed below the sternum. The captured sEMG signal, due to the critical sensor position, is characterized by a low energy level and it is affected by motion artifacts and cardiac noise. In this work we present a preliminary study performed on adults for assessing the correlation of the spirometry signal and the sEMG signal after the removal of the superimposed heart signal. This study and the related findings could be useful in respiratory monitoring of preterm infants.
This study describes a non-contact measuring and parameter identification procedure designed to evaluate inhomogeneous stiffness and damping characteristics of the annular ligament in the physiological amplitude and frequency range without the application of large static external forces that can cause unnatural displacements of the stapes. To verify the procedure, measurements were first conducted on a steel beam. Then, measurements on an individual human cadaveric temporal bone sample were performed. The estimated results support the inhomogeneous stiffness and damping distribution of the annular ligament and are in a good agreement with the multiphoton microscopy results which show that the posterior-inferior corner of the stapes footplate is the stiffest region of the annular ligament. This method can potentially help to establish a correlation between stiffness and damping characteristics of the annular ligament and inertia properties of the stapes and, thus, help to reduce the number of independent parameters in the model-based hearing diagnosis.
Integrating tools and applications into a clinically useful system for individual continuous health data surveillance requires an architecture considering all relevant medical and technical conditions. Therefore, the requirements of an integrated system including a health app to collect and monitor sensor data to support personalized medicine are analyzed. The structure and behavior of the system are defined regarding the specific health use cases and scenarios. A vendor-independent architecture, which enables the collection of vital data from arbitrary wearables using a smartphone, is presented. The data is centrally managed and processed by attending physicians. The modular architecture allows the system to extend to new scenarios, data formats, etc. A prototypical implementation of the system shows the feasibility of the approach.
A clinically useful system for individual continuous health data monitoring needs an architecture that takes into account all relevant medical and technical conditions. The requirements for a health app to support such a system are collected, and a vendor independent architecture is designed that allows the collection of vital data from arbitrary wearables using a smartphone. A prototypical implementation for the main scenario shows the feasibility of the approach.
Background/Aim: The aim of this study was the development of a new osteoconductivity index to determine the bone healing capacities of bone substitute materials (BSM) on the basis of 3D microcomputed tomographic (μ-CT) data. Materials and Methods: Sinus biopsies were used for the comparative analysis of the integration behavior of two xenogeneic BSM (cerabone® and Bio Oss®). 3D μ-CT and data sets from histomorphometrical measurements based on 2D histological slices were used to measure the bone-material-contact and the tissue distribution within the biopsies. The tissue reactions to both BSM were microscopically analyzed. Results: The 3D and 2D results of the osteoconductivity measurements showed comparable material-bone contacts for both BSM, but the 2D data were significantly lower. The same results were found when tissue distribution was measured in both groups. The histopathological analysis showed comparative tissue reactions in both BSM. Conclusion: Osteoconductivity index is a reliable measurement parameter for determining the healing capacities of BSM. The observed differences between both measurement methods could be assigned to the resolution capacity of μ-CT data that did not allow for a precise interface distinction between both BSM and bone tissue. Histomorphometrical data based on histological slides still allow for a more exact evaluation.
Due to the rising need for palliative care in Russia, it is crucial to provide timely and high-quality solutions for patients, relatives, and caregivers. A methodology for remote monitoring of patients in need of palliative care and the requirements will be developed for a hardware-software complex for remote monitoring of patients' health at home.
Artefaktkorrektur und verfeinerte Metriken für ein EEG-basiertes System zur Müdigkeitserkennung
(2019)
Fragestellung: Müdigkeit ist ein oft unterschätztes, aber dennoch großes Problem im Straßenverkehr. Von rund 2,5 Mio. Verkehrsunfällen 2015 in Deutschland, waren 2898 Unfälle, mit insgesamt 59 Toten (~1,7 % der Todesfälle), auf Übermüdung zurückzuführen. Schätzungen gehen von einer Dunkelziffer von bis zu 20 % aus. In einer ersten eigenen Studie wurde überprüft, ob ein mobiles EEG in einem Fahrsimulator Müdigkeitszustände zuverlässig erkennen kann. Die Erkennungsrate lag lediglich bei 61 %. Ziel dieser Arbeit ist, das verwendete Messsystem zu verbessern. Dazu wird die Genauigkeit durch eine Artefaktkorrektur und mit Hilfe von verfeinerten Qualitätsmetriken erhöht. Eine erkannte Übermüdung wird dem Fahrer dann in angemessener Weise angezeigt, so dass er entsprechend reagieren kann.
Patienten und Methoden: Die Independent Component Analysis (ICA) ist ein multivariates Verfahren, um mehrere Zufallsvariablen zu analysieren. Für die Entscheidung, ob ein Fahrer gerade müde oder wach ist, wird der erstellte Merkmalsvektor für jede Sequenz mit ICA klassifiziert. Dafür wird ein trainierter Machine-Learning-Algorithmus eingesetzt, der in der Lage ist, auch unbekannte Datensätze in Klassen einzuteilen. Um die benötigten Frequenzwerte zu erhalten, wurde für jeden EEG-Kanal eine Fourier Transformation durchgeführt. Der erstellte Merkmalsvektor wird im nächsten Schritt durch ein Künstliches Neuronales Netz klassifiziert. Für das Training werden vorab erstellte Merkmalsvektoren mit den Klassen „Wach“ und „Müde“ versehen. Diese Daten werden zufällig gemischt und im Verhältnis 2:1 in eine Trainings- und Testmenge geteilt. Das Experiment wurde mit acht Personen mit jeweils zweimal 45 min Testfahrt durchgeführt.
Ergebnisse: Der komplette Datensatz besteht aus 150.000 Signalwerten, welche zu ca. 7000 Sequenzen zusammengefasst werden. Durch die Anwendung der Qualitätsmetrik bleiben 4370 Sequenzen für das Training übrig. Bei invaliden Sequenzen aufgrund von EEG-Artefakten gibt es deutliche Unterschiede. Im „Wach“ Zustand werden dreimal so viele Sequenzen verworfen als im „Müde“ Zustand. Insgesamt werden bei wachen Probanden im Schnitt ca. 50 % der Sequenzen verworfen, bei Müden lediglich 25 %. Im Durchschnitt erreicht das System eine Erkennungsrate von 73 % für beide Zustände. Vergleicht man nun das Verhältnis von „Wach“ und „Müde“ und lässt „Leichte Müdigkeit“ außen vor, liegen die Ergebnisse bei über 90 %.
Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse zeigen, dass die Aufmerksamkeit während des Experiments abnimmt bzw. die Müdigkeit zunimmt. Dies verdeutlichen zum einen subjektive und objektive Beobachtungen von Müdigkeitsanzeichen. Zum anderen lassen sich messbare und klassifizierbare Unterschiede im EEG Signal nachweisen. Die als Merkmale eingesetzten Theta-Wellen zeigten eine niedrigere Amplitude gegen Ende des Experiments. Die Erweiterung der binären Klassifizierung führt zu einer weiteren Stabilisierung der Ergebnisse. Artefaktkorrektur und Qualitätsmetriken steigern die Güte der Daten weiter. Die entwickelte Anwendung zur Müdigkeitserkennung ermittelt messbare Zeichen von Müdigkeit und kann eine gute Entscheidung über die Fahrtauglichkeit treffen.
The potentials and opportunities created by digitized healthcare can be further customized through smart data processing and analysis using accurate patient information. This development and the associated new treatment concepts basing on digital smart sensors can lead to an increase in motivation by applying gamification approaches. This effect can also be used in the field of medical treatment, e.g. with the help of a digital spirometer combined with an app. In one of our exemplary applications, we show how to control an airplane within an app by breathing respectively inhaling and exhaling. Using this biofeedback within a game allows us to increase the motivation and fun for children that need to perform necessary exercises.
Mammographie-Geräte werden in der Diagnostik von Mammakarzinomen eingesetzt. Die ursprüngliche Technik wurde in den letzten Jahren von analogen Röntgenfilmen zu digital integrierten Systemen weiterentwickelt. Durch die Tomosynthese, bei der in einem Schnittbildverfahren mehrere Schichten des Organismus untersucht werden können, können auch überlagerte Strukturen sichtbar gemacht werden. Um als adäquate Grundlage zur Diagnostik von malignen Tumoren dienen zu können, müssen einige qualitative Anforderungen erfüllt werden. Bisher gibt es wenig Literatur, die Anforderungen und den Aufbau solcher Geräte systematisch beschreiben. Im Rahmen dieser Arbeit werden auf Basis der Literatur und bestehender Systeme die qualitativen Anforderungen identifiziert. Der prinzipielle Aufbau solcher Systeme wird anhand der einzelnen Systembausteine in der semiformalen Notationssprache SysML gezeigt. Die grundlegende Funktionsweise eines tomosynthesefähigen Mammographie Gerätes wird in dieser Arbeit zusammenfassend und anhand der einzelnen Systembausteine beschrieben. Diese Arbeit dient der Vermittlung eines umfassenden Verständnisses für die digitale Mammographie, um als Grundlage für die Dokumentation von qualitativen Anforderungen dienen zu können.