610 Medizin, Gesundheit
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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.
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.
Die Erholung unseres Körpers und Gehirns von Müdigkeit ist direkt abhängig von der Qualität des Schlafes, die aus den Ergebnissen einer Schlafstudie ermittelt werden kann. Die Klassifizierung der Schlafstadien ist der erste Schritt dieser Studie und beinhaltet die Messung von Biovitaldaten und deren weitere Verarbeitung. Das non-invasive Schlafanalyse-System basiert auf einem Hardware-Sensornetz aus 24 Drucksensoren, das die Schlafphasenerkennung ermöglicht. Die Drucksensoren sind mit einem energieeffizienten Mikrocontroller über einen systemweiten Bus mit Adressarbitrierung verbunden. Ein wesentlicher Unterschied dieses Systems im Vergleich zu anderen Ansätzen ist die innovative Art, die Sensoren unter der Matratze zu platzieren. Diese Eigenschaft erleichtert die kontinuierliche Nutzung des Systems ohne fühlbaren Einfluss auf das gewohnte Bett. Das System wurde getestet, indem Experimente durchgeführt wurden, die den Schlaf verschiedener gesunder junger Personen aufzeichneten. Die ersten Ergebnisse weisen auf das Potenzial hin, nicht nur Atemfrequenz und Körperbewegung, sondern auch Herzfrequenz zu erfassen.
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.
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.
Due to the large interindividual variances and the poor optical accessibility of the ear, the specificity of hearing diagnostics today is severely restricted to a certain clinical picture and quantitative assessment. Often only a yes or no decision is possible, which depends strongly on the subjective assessment of the ENT physician. A novel approach, in which objectively obtainable, non invasive audiometric measurements are evaluated using a numerical middle ear model, makes it possible to make the hidden middle ear properties visible and quantifiable. The central topic of this paper is a novel parameter identification algorithm that combines inverse fuzzy arithmetic with an artificial neural network in order to achieve a coherent diagnostic overall picture in the comparison of model and measurement. Its usage is shown at a pathological pattern called malleus fixation where the upper ligament of the malleus is pathologically stiffened.
Type 1 diabetes is a chronic and a life threatening disease: an adjusted treatment and a proper management of the disease are crucial to prevent or delay the complications of diabetes. Although during the last decade the development of the artificial pancreas has presented great advances in diabetes care, the multiple daily injections therapy still represents the most widely used treatment option for type 1 diabetes. This work presents the proposal and first development stages of an application focused on guiding patients using the continuous glucose monitors and smart pens together with insulin and carbohydrates recommendations. Our proposal aims to develop a platform to integrate a series of innovative machine learning models and tools rigorously tested together with the use of the latest IoT devices to manage type 1 diabetes. The resulting system actually closes the loop, like the artificial pancreas, but in an intermittent way.
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.
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.
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.