Publikationen

Ley, Sebastian;
Differential ultra-wideband microwave imaging for medical applications. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (XI, 87, xxiv Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Elektromagnetische Ultrabreitband-Sensorik und -Bildgebung bieten vielversprechende Perspektiven für verschiedene biomedizinische Anwendungen, da diese Wellen biologisches Gewebe durchdringen können. Dabei stellt der Einsatz von leistungsarmen und nichtionisierenden Mikrowellen eine gesundheitlich unbedenkliche Untersuchungsmethode dar. Eine der Herausforderungen im Bereich der ultrabreitbandigen Mikrowellensensorik ist dabei die Extraktion der diagnostisch relevanten Informationen aus den Messdaten, da aufgrund der komplexen Wellenausbreitung im Gewebe meist rechenaufwändige Methoden notwendig sind. Dieses Problem wird wesentlich vereinfacht, wenn sich die Streueigenschaften des zu untersuchenden Objektes zeitlich ändern. Diese zeitliche Varianz der Streueigenschaften kann mit Hilfe einer Differenzmessung über ein bestimmtes Zeitintervall ausgenutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der differentielle Ansatz mittels Ultrabreitband-Sensorik für zwei medizinische Anwendungsszenarien betrachtet. Die dabei genutzten Messsysteme basieren auf dem M-Sequenzverfahren, welches an der Technischen Universität Ilmenau entwickelt wurde. Die erste Anwendung bezieht sich auf das nicht-invasive Temperaturmonitoring mittels Ultrabreitband-Technologie während einer Hyperthermiebehandlung. Hyperthermie ist eine Wärmetherapie zur Unterstützung onkologischer Behandlungen (z. B. Chemo- oder Strahlentherapie). Während einer solchen Behandlung wird das Tumorgewebe um 4 ˚C bis 8 ˚C erhöht. Dabei ist es wichtig, dass die Temperatur die obere Grenze von 45 ˚C nicht überschreitet. In diesem Zusammenhang bietet das differentielle Ultrabreitband-Monitoring eine vielversprechende Technik zur kontinuierlichen und nicht-invasiven Messung der Temperatur im Körperinneren. Der Ansatz basiert auf den temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe. Dabei werden elektromagnetische Wellen mit einer geringen Leistung in das Untersuchungsmedium eingebracht, die sich gemäß den dielektrischen Eigenschaften von Gewebe ausbreiten. Wird eine Zielregion (bspw. Tumor) erwärmt, so ändern sich dessen dielektrische Eigenschaften, was zu einem sich ändernden Streuverhalten der elektromagnetischen Welle führt. Diese Änderungen können mittels Ultrabreitband-Sensorik erfasst werden. Für die Evaluierung der gemessenen Änderungen im Radarsignal ist es notwendig, die temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe im Mikrowellenfrequenzbereich zu kennen. Aufgrund der wenigen in der Literatur vorhandenen temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe über einen breiten Mikrowellenfrequenzbereich werden in dieser Arbeit die dielektrischen Eigenschaften für Leber, Muskel, Fett und Blut im Temperaturbereich zwischen 30 ˚C und 50 ˚C von 500 MHz bis 7 GHz erfasst. Hierzu wird zunächst ein Messaufbau für die temperaturabhängige dielektrische Spektroskopie von Gewebe, Gewebeersatz und Flüssigkeiten vorgestellt und die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Messungen analysiert. Die Messdaten werden mit Hilfe eines temperaturabhängigen Cole-Cole Models modelliert, um die dielektrischen Eigenschaften für beliebige Werte im untersuchten Temperatur- und Frequenzbereich berechnen zu können. In einem weiteren Experiment wird die nicht-invasive Erfassung von Temperaturänderungen mittels Ultrabreitband-Technologie in einem experimentellen Messaufbau nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Temperaturänderung von 1 ˚C zu Differenzsignalen führt, welche mit der genutzten Ultrabreitband-Sensorik (M-Sequenz) detektierbar sind. Die zweite Anwendung befasst sich mit der kontrastbasierten Mikrowellen-Brustkrebsbildgebung. Aufgrund des physiologisch gegebenen geringen dielektrischen Kontrastes zwischen Drüsen- und Tumorgewebe kann durch den Einsatz von Kontrastmitteln, im Speziellen magnetischen Nanopartikeln, die Zuverlässigkeit einer Diagnose verbessert werden. Der Ansatz beruht darauf, dass funktionalisierte magnetische Nanopartikel in der Lage sind, sich selektiv im Tumorgewebe zu akkumulieren, nachdem diese intravenös verabreicht wurden. Unter der Bedingung, dass sich eine ausreichende Menge der Nanopartikel im Tumor angesammelt hat, können diese durch ein äußeres polarisierendes Magnetfeld moduliert werden. Aufgrund der Modulation ändert sich das Streuverhalten der magnetischen Nanopartikel, was wiederum zu einem sich ändernden Rückstreuverhalten führt. Diese Änderungen können mittels leistungsarmen elektromagnetischen Wellen detektiert werden. In dieser Arbeit wird die Detektierbarkeit und Bildgebung von magnetischen Nanopartikeln mittels Ultrabreitband-Sensorik im Mikrowellenfrequenzbereich in Hinblick auf die Brustkrebsdetektion betrachtet. Dabei werden zunächst verschiedene Einflussfaktoren, wie die Abhängigkeit der Masse der magnetischen Nanopartikel, die Magnetfeldstärke des äußeren Magnetfeldes sowie die Viskosität des Umgebungsmediums, in das die Nanopartikel eingebettet sind, auf die Detektierbarkeit der magnetischen Nanopartikel untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine lineare Abhängigkeit zwischen dem gemessenen Radarsignal und der Masse der magnetischen Nanopartikel sowie einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Antwort der magnetischen Nanopartikel und der Feldstärke des äußeren Magnetfeldes. Darüber hinaus konnten die magnetischen Nanopartikel für alle untersuchten Viskositäten erfolgreich detektiert werden. Basierend auf diesen Voruntersuchungen wird ein realistischer Messaufbau für die kontrastbasierte Brustkrebsbildgebung vorgestellt. Die Evaluierung des Messaufbaus erfolgt mittels Phantommessungen, wobei die verwendeten Phantommaterialien die dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe imitieren, um eine möglichst hohe Aussagekraft der Ergebnisse hinsichtlich eines praktischen Messszenarios zu erhalten. Dabei wird die Detektierbarkeit und Bildgebung der magnetischen Nanopartikel in Abhängigkeit der Tumortiefe analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die magnetischen Nanopartikel erfolgreich detektiert werden können. Dabei hängt im dreidimensionalen Bild die Intensität des Messsignals, hervorgerufen durch die magnetischen Nanopartikel, von deren Position ab. Die Ursachen hierfür sind die pfadabhängige Dämpfung der elektromagnetischen Wellen, die inhomogene Ausleuchtung des Mediums mittels Mikrowellen, da eine gleichmäßige Anordnung der Antennen aufgrund der Magnetpole des Elektromagneten nicht möglich ist, sowie das inhomogene polarisierende Magnetfeld innerhalb des Untersuchungsmediums. In Bezug auf den letzten Aspekt wird das Magnetfeld im Untersuchungsbereich ausgemessen und ein Ansatz präsentiert, mit dem die Inhomogenität des Magnetfeldes kompensiert werden kann. Weiterhin wurden die Störeinflüsse des polarisierenden Magnetfeldes auf das Messsystem untersucht. In diesem Zusammenhang werden zwei verschiedene Modulationsarten (eine Modulation mit den zwei Zuständen AN/AUS und eine periodische Modulation) des äußeren polarisierenden Magnetfeldes analysiert. Es wird gezeigt, dass mit beiden Modulationen die magnetischen Nanopartikel bildgebend dargestellt werden können. Abschließend werden die Ergebnisse in Hinblick auf die Störeinflüsse sowie ein praktisches Anwendungsszenario diskutiert.

https://doi.org/10.22032/dbt.55224

Ebner, Christian; Gorelik, Kirill; Maier, Marcel; Walter, Rainer; Thulfaut, Christian
Model-based design and evaluation of future fail-operational electric drivetrains. - In: 22. Internationales Stuttgarter Symposium, (2022), S. 71-85

In highly and fully automated vehicles, a driver is not required to permanently supervise the driving task. This leads to new requirements on fail-operational system behavior with the goal to reach a safe state in case of a fault. With fail-operability of the propulsion system, a vehicle can be stopped outside of active traffic, increasing the safety of passengers. Thus, it is assumed as a requirement for future electric powertrains. Fail-operability is generally achieved with redundancy at different architecture levels to ensure a minimum required level of functionality in case of a fault. This also leads to additional degrees of freedom for enhanced control in fault-free operation. In this work, a model-based methodology including dynamic safety analysis to support architectural decisions of drivetrain systems in the early design process is presented. Further, the proposed methodology is applied to examine feasible drivetrain design variants with respect to their fail-operability, relative acquisition cost, and relative energy efficiency. The results show that a high degree of fail-operability can be achieved either with two electric axles with one electric drive each or one electric axle with two electric drives on the same input shaft of the transmission. Drivetrain topologies with two electric axles and clutches, disconnecting the faulty parts, are recommended when mechanical faults are also considered. Furthermore, drivetrain topologies with multiple electrical machines show benefits with respect to energy efficiency by minimizing the losses through optimal torque distribution.

https://doi.org/10.1007/978-3-658-37009-1_5

Gao, Hui; Kuang, Hongyu; Sun, Kexin; Ma, Xiaoxing; Egyed, Alexander; Mäder, Patrick; Rong, Guoping; Shao, Dong; Zhang, He
Using consensual biterms from text structures of requirements and code to improve IR-based traceability recovery. - In: ASE '22, (2022), 114, insges. 13 S.

Traceability approves trace links among software artifacts based on whether two artifacts are related by system functionalities. The traces are valuable for software development, but are difficult to obtain manually. To cope with the costly and fallible manual recovery, automated approaches are proposed to recover traces through textual similarities among software artifacts, such as those based on Information Retrieval (IR). However, the low quality & quantity of artifact texts negatively impact the calculated IR values, thus greatly hindering the performance of IR-based approaches. In this study, we propose to extract co-occurred word pairs from the text structures of both requirements and code (i.e., consensual biterms) to improve IR-based traceability recovery. We first collect a set of biterms based on the part-of-speech of requirement texts, and then filter them through the code texts. We then use these consensual biterms to both enrich the input corpus for IR techniques and enhance the calculations of IR values. A nine-system-based evaluation shows that in general, when solely used to enhance IR techniques, our approach can outperform pure IR-based approaches and another baseline by 21.9% & 21.8% in AP, and 9.3% & 7.2% in MAP, respectively. Moreover, when used to collaborate with another enhancing strategy from different perspectives, it can outperform this baseline by 5.9% in AP and 4.8% in MAP.

https://doi.org/10.1145/3551349.3556948

Schlarbaum, Laura; Forner, Frank; Bohn, Kristin; Amberg, Michael; Mäder, Patrick; Lorkowski, Stefan; Meier, Toni
Nutritional assessment of ready-to-eat salads in German supermarkets: comparison of the nutriRECIPE-Index and the Nutri-Score. - In: Foods, ISSN 2304-8158, Bd. 11 (2022), 24, 4011, S. 1-21

Globally, an unbalanced diet causes more deaths than any other factor. Due to a lack of knowledge, it is difficult for consumers to select healthy foods at the point of sale. Although different front-of-pack labeling schemes exist, their informative value is limited due to small sets of considered parameters and lacking information on ingredient composition. We developed and evalauated a manufacture-independent approach to quantify ingredient composition of 294 ready-to eat salads (distinguished into 73 subgroups) as test set. Nutritional quality was assessed by the nutriRECIPE-Index and compared to the Nutri-Score. The nutriRECIPE-Index comprises the calculation of energy-adjusted nutrient density of 16 desirable and three undesirable nutrients, which are weighted according to their degree of supply in the population. We show that the nutriRECIPE-Index has stronger discriminatory power compared to the Nutri-Score and discriminates as well or even better in 63 out of the 73 subgroups. This was evident in groups where seemingly similar products were compared, e.g., potato salads (Nutri-Score: C only, nutriRECIPE-Index: B, C and D). Moreover, the nutriRECIPE-Index is adjustable to any target population’s specific needs and supply situation, such as seniors, and children. Hence, a more sophisticated distinction between single food products is possible using the nutriRECIPE-Index.

https://doi.org/10.3390/foods11244011

Knösche, Thomas R.; Haueisen, Jens
EEG/MEG source reconstruction : textbook for electro-and magnetoencephalography. - Cham : Springer, 2022. - 1 Online-Ressource (XIX, 415 Seiten) ISBN 978-3-030-74918-7

https://ebookcentral.proquest.com/lib/kxp/detail.action?docID=7102592