610 Medizin, Gesundheit
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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.
Simulation models of the middle ear have rarely been used for diagnostic purposes due to their limited predictive ability with respect to pathologies. One big challenge is the large uncertainty and ambiguity in the choice of material parameters of the model.
Typically, the model parameters are determined by fitting simulation results to validation measurements. In a previous study, it was shown that fitting the model parameters of a finite-element model using the middle-ear transfer function and various other measurable output variables from normal ears alone is not sufficient to obtain a good predictive ability of the model on pathological middle-ear conditions. However, the inclusion of validation measurements on one pathological case resulted in a very good predictive ability also for other pathological cases. Although the found parameter set was plausible in all aspects, it was not yet possible to draw conclusions about the uniqueness and the accuracy or the uncertainty of the parameter set.
To answer these questions, statistical solution approaches are used in this study. Using the Monte Carlo method, a large number of plausible model data sets are generated that correctly represent the normal and pathological middle-ear characteristics in terms of various output variables like e.g., impedance, reflectance, umbo, and stapes transfer function. Subsequent principal component analyses (PCA) allow to draw conclusions about correlations, quantitative limits and statistical density of parameter values.
Furthermore, applying inverse PCA yields numerous plausible parameterizations of the middle-ear model, which can be used for data augmentation and training of a neural network which is capable of distinguishing between a normal middle ear and pathologies like otosclerosis, malleus fixation, and disarticulation based on objectively measured quantities like impedance, reflectance, and umbo velocity.
Stent graft visualization and planning tool for endovascular surgery using finite element analysis
(2014)
Purpose: A new approach to optimize stent graft selection for endovascular aortic repair is the use of finite element analysis. Once the finite element model is created and solved, a software module is needed to view the simulation results in the clinical work environment. A new tool for Interpretation of simulation results, named Medical Postprocessor, that enables comparison of different stent graft configurations and products was designed, implemented and tested. Methods Aortic endovascular stent graft ring forces and sealing states in the vessel landing zone of three different configurations were provided in a surgical planning software using the Medical Imaging Interaction Tool Kit (MITK) Software system. For data interpretation, software modules for 2D and 3D presentations were implemented. Ten surgeons evaluated the software features of the Medical Postprocessor. These surgeons performed usability tests and answered questionnaires based on their experience with the system.
Results: The Medical Postprocessor visualization system enabled vascular surgeons to determine the configuration with the highest overall fixation force in 16 ± 6 s, best proximal sealing in 56±24 s and highest proximal fixation force in 38 ± 12 s. The majority considered the multiformat data provided helpful and found the Medical Postprocessor to be an efficient decision support system for stent graft selection. The evaluation of the user interface results in an ISONORMconform user interface (113.5 points).
Conclusion: The Medical Postprocessor visualization Software tool for analyzing stent graft properties was evaluated by vascular surgeons. The results show that the software can assist the interpretation of simulation results to optimize stent graft configuration and sizing.
Im Fokus der Arbeit steht die Unterstützung der Stentgraftauswahl bei endovaskulärer Versorgung eines infrarenalen Aortenaneurysmas. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Methode zur Auswertung von Ergebnissen einer Finite Elemente-Analyse zum Stentgraftverhalten konzipiert, implementiert und im Rahmen einer deutschlandweiten Benutzerstudie mit 16 Chirurgen diskutiert. Die entwickelte Mensch-Maschine-Schnittstelle ermöglicht dem Gefäßmediziner eine interaktive Analyse berechneter Fixierungskräfte und Kontaktzustände mehrerer Stentgrafts im Kontext mit dem zu behandelnden Aortenabschnitt. Die entwickelte Methode ermöglicht eine tiefergehende Auseinandersetzung der Mediziner mit numerischen Simulationen und Stentgraftbewertungsgrößen. Hierdurch konnte im Rahmen der Benutzerstudie das Einsatzpotenzial numerischer Simulationen zur Unterstützung der Stentgraftauswahl ermittelt und eine Anforderungsspezifikation an ein System zur simulationsbasierten Stentgraftplanung definiert werden. Im Ergebnis wurde als wesentliches Einsatzpotenzial die Festlegung eines Mindestmaßes an Überdimensionierung, die Optimierung der Schenkellänge von bifurkativen Stentgrafts sowie der Vergleich unterschiedlicher Stentgraftdesigns ermittelt. Zu den wesentlichen Funktionen eines Systems zur simulationsbasierten Stentgraftauswahl gehören eine Übersichtskarte zu farbkodiertem Migrationsrisiko pro Stentgraft und Landungszone, die Visualisierung des Abdichtungszustandes der Stentkomponenten sowie die Darstellung von Stentgraft- und Gefäßdeformationen im 3D-Modell.
Purpose
Supporting the surgeon during surgery is one of the main goals of intelligent ORs. The OR-Pad project aims to optimize the information flow within the perioperative area. A shared information space should enable appropriate preparation and provision of relevant information at any time before, during, and after surgery.
Methods
Based on previous work on an interaction concept and system architecture for the sterile OR-Pad system, we designed a user interface for mobile and intraoperative (stationary) use, focusing on the most important functionalities like clear information provision to reduce information overload. The concepts were transferred into a high-fidelity prototype for demonstration purposes. The prototype was evaluated from different perspectives, including a usability study.
Results
The prototype’s central element is a timeline displaying all available case information chronologically, like radiological images, labor findings, or notes. This information space can be adapted for individual purposes (e.g., highlighting a tumor, filtering for own material). With the mobile and intraoperative mode of the system, relevant information can be added, preselected, viewed, and extended during the perioperative process. Overall, the evaluation showed good results and confirmed the vision of the information system.
Conclusion
The high-fidelity prototype of the information system OR-Pad focuses on supporting the surgeon via a timeline making all available case information accessible before, during, and after surgery. The information space can be personalized to enable targeted support. Further development is reasonable to optimize the approach and address missing or insufficient aspects, like the holding arm and sterility concept or new desired features.
Checklists are a valuable tool to ensure process quality and quality of care. To ensure proper integration in clinical processes, it would be desirable to generate checklists directly from formal process descriptions. Those checklists could also be used for user interaction in context-aware surgical assist systems. We built a tool to automatically convert Business Process Model and Notation (BPMN) process models to checklists displayed as HTML websites. Gateways representing decisions are mapped to checklist items that trigger dynamic content loading based on the placed checkmark. The usability of the resulting system was positively evaluated regarding comprehensibility and end-user friendliness.
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.
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.
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.