Deep learning enhanced medical microwave imaging. - In: Electromagnetic imaging for a novel generation of medical devices, (2023), S. 179-201
This chapter is devoted to the thriving field of deep learning enhanced medical microwave imaging. Microwave imaging is a technology with applications in different fields involving the inspection of hidden or nested targets. Thanks to its non-ionizing nature and low-cost, it represents an emerging modality for non invasive medical diagnostics, with potential to compensate the limitations of well-established medical imaging modalities. However, microwave imaging faces several challenges that are slowing down its adoption. In particular, the underlying problem at the core of microwave imaging is a non-linear and ill-posed inverse scattering problem. Recently, employing deep learning techniques to address the difficulties in solving inverse scattering problems has received a significant attention. In this regard, this chapter reviews the main aspects concerned with the adoption of deep learning to enhance microwave imaging and then provides two examples to outline its potential in medical imaging applications. The first application is concerned with monitoring of thermal treatments (hyperthermia) whereas the second is dedicated to imaging the brain.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-28666-7_6
Microwave ultra-wideband imaging for non-invasive temperature monitoring during hyperthermia treatment. - In: Electromagnetic imaging for a novel generation of medical devices, (2023), S. 293-330
Microwave medical imaging can become a good alternative for common imaging approaches in the very near future since it is safe due to non-ionizing radiation, cost-efficient and to this end promising for clinical applications. This chapter is devoted to microwave imaging for non-invasive temperature monitoring during hyperthermia therapy. To ensure a constant desired temperature level in the cancerous tissue and to prevent damage of healthy cells, accurate temperature control is necessary during thermal treatment. We present a temperature estimation approach based on the ultra-wideband M-sequence radar technology developed at the Technische Universitaet Ilmenau. The methodology is based on the knowledge of temperature dependencies of tissue physical parameters and on ongoing ultra-wideband measurements, followed by imaging and estimation of dielectric properties which are converted to temperature values. The prototype components from both sensing and heating parts of the system are investigated numerically so that suitable configurations of the antenna array can be defined. Furthermore, the system is experimentally validated on a neck phantom filled with corresponding tissue mimicking materials, which well imitate the dielectric properties of the specific tissues. Exemplary results of these developments are presented in this chapter.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-28666-7_10
Model-following control for a class of nonlinear systems. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (xiii, 153 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Der Fokus dieser Arbeit ist die sogenannte model-following control (MFC) Regelkreisarchitektur. Diese Architektur ist eine zwei Freiheitsgrade Struktur, die aus zwei Regelkreisen besteht. Der erste Regelkreis wird Modellregelkreis genannt und enthält ein nominelles Modell des Prozesses. Der zweite Regelkreis heißt Prozessregelkreis und muss Modellunsicherheiten und Störungen ausgleichen. Untersuchungen der MFC Sturktur für lineare Systeme zeigen gute Robustheitseigenschaften gegenüber Unsicherheiten und Störungen. Die vorliegende Arbeit untersucht die MFC Struktur für nichtlineare minimalphasige SISO Systeme in Byrnes-Isidori Normalform hinsichtlich Unsicherheiten und Störungen im Eingangskanal. Beide Regelkreise werden mittels (partieller) exakter Linearisierung entworfen. Grundlage des Modellreglerentwurfs bildet die nominelle Dynamik. Grundlage des Prozessreglerentwurfs ist die Fehlerdynamik zwischen den Prozess- und den Modellzuständen. Damit der Prozessregler Robustheit gegenüber Unsicherheiten und Störungen erzielt, wird der Entwurf mit einem high-gain Ansatz kombiniert. Die Verstärkungen des Prozessreglers sind proportional zu Potenzen des Kehrwerts des Tuningparameters ε mit 0 < ε ≤ 1. Lyapunov Methoden werden genutzt, um die Stabilität nachzuweisen und die Robustheit gegenüber Unsicherheiten und Störungen zu analysieren. Die Modellunsicherheit wird als lokal Lipschitz-stetig angenommen und deren Norm erfüllt somit eine lineare Wachstumsbedingung mit der Lipschitzkonstanten γ > 0. Die maximale Lipschitzkonstante, sodass für den geschlossene Regelkreis gerade noch Stabilität gewährleistet werden kann, wird als quantitativer Robustheitsfaktor eingeführt. Bei Verwendung des vorgeschlagenen Reglerentwurfs ist der Robustheitsfaktor proportional zum Kehrwert des Tuningparameters ε und die letztliche Schranke (ultimate bound) der externen Fehlerzustände proportional zum Tuningparameter ε. Der vorgeschlagene Entwurf wird mit einem einschleifigen Regelkreis mit (patrtieller) exakter Linearisierung verglichen. Der vorgeschlagene Entwurf ermöglicht die Kompensation wesentlich größerer Unsicherheiten bei moderatem Anstieg des Stellgrößenaufwands. Gleichzeitig wird das gewünschte Verhalten erzielt. Die Ergebnisse werden anhand von Simulationen und einem Laborexperiment bestätigt. Beim Experiment handelt es sich um einen DC-Motor, der eine Umwuchtmasse antreibt.
https://doi.org/10.22032/dbt.60848
Entity linking for KGQA using AMR graphs. - In: The semantic web, (2023), S. 122-138
Entity linking is an essential part of analytical systems for question answering on knowledge graphs (KGQA). The mentioned entity has to be spotted in the text and linked to the correct resource in the knowledge graph (KG). With this paper, we present our approach on entity linking using the abstract meaning representation (AMR) of the question to spot the surface forms of entities. We re-trained AMR models with automatically generated training data. Based on these models, we extract surface forms and map them to an entity dictionary of the desired KG. For the disambiguation process, we evaluated different options and configurations on QALD-9 and LC-QuaD 2.0. The results of the best performing configurations outperform existing entity linking approaches.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-33455-9_8
Voice work optimization in artistic and pedagogical professions - selected issues :
Wybrane problemy optymalizacji pracy głosem w zawodach artystycznych i pedagogicznych. - In: Nowa Audiofonologia$hred. nacz. Henryk Skarżyânski, ISSN 2084-946X, Bd. 12 (2023), 1, S. 65-71
W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia pracy głosem w aspekcie monitorowania jego stanu. W kontekâscie dotychczasowych (statycznych) metod analizy statusu aparatu mowy i âspiewu przedstawiono znane metody pomiaru biomarkerów fizjologicznych służ&hlink;acych do diagnozowania potencjalnych patologii. Zaprezentowano także metod&hlink;e badania i konstrukcji systemu pomiarowego, który może byâc wykorzystany do bież&hlink;acej oceny stanu narz&hlink;adów mowy i âspiewu, tak by w czasie rzeczywistym możliwe było podj&hlink;ecie adekwatnych działaân, polegaj&hlink;acych zasadniczo na czasowym zaniechaniu wydawania dâzwi&hlink;eków lub ograniczenia ich intensywnoâsci. W materiale wyeksponowano przewag&hlink;e systemu pomiarowo-kontrolnego, stanowi&hlink;acego techniczne wsparcie dla beneficjenta, nad systemem autokontroli – zawodnym przeważnie z przyczyn socjologicznych lub z powodu niedostatecznie czytelnych sygnałów ostrzegawczych, wysyłanych przez nasz organizm.
https://doi.org/10.17431/na/153096
Modeling and measuring the effects of individually optimized multi-channel transcranial direct current stimulation on the human brain. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (xiii, 138 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Technik zur Neuro-Modulation, bei der schwache Ströme durch Elektroden auf der Kopfhaut gesendet werden, um vorübergehend Eigenschaften des Gehirns zu verändern. Durch die gezielte Beeinflussung bestimmter kortikaler Bereiche haben Forscher tDCS eingesetzt, um Motorik, Emotionen, Gedächtnis, Sprachverarbeitung und verschiedene andere kognitive Funktionen zu beeinflussen. Konventionell wird bei der tDCS eine bipolare Standardmontage verwendet, um eine bestimmte Hirnregion von Interesse zu stimulieren, was in der Literatur zu unterschiedlichen Ergebnissen führte. In jüngster Zeit haben Optimierungsmethoden für die mehrkanalige tDCS (mc-tDCS) an Interesse gewonnen, die genau auf einen bestimmten Hirnbereich abzielen und das Potenzial haben, kontrolliertere und konsistentere Ergebnisse zu erzielen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger mc-tDCS-Ansatz, der Distributed Constrained Maximum Intensity Approach (D-CMI), vorgeschlagen, um die somatosensorische P20/N20-Zielquelle des menschlichen Gehirns im Brodmann-Areal 3b zu stimulieren. Um die P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b für die tDCS genau zu rekonstruieren, wird eine integrierte und kombinierte Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) Quellenanalyse mit individualisierter, auf die Leitfähigkeit des Schädels kalibrierter realistischer Kopfmodellierung vorgeschlagen. Die D-CMI-Methode wird für die somatosensorische P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b zunächst in einer Simulationsstudie und dann in einer experimentellen Validierungsstudie untersucht. In der Simulationsstudie wurden simulierte elektrische Felder (EF) für die neue D-CMI-Methode und die bereits bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Maximalintensitäts- (MI) und Standard-Bipolarmethoden erzeugt und für die individualisierten somatosensorischen P20/N20-Ziele verglichen. Die praktische Anwendbarkeit des D-CMI-Ansatzes wird in einer experimentellen Studie zur Stimulation der somatosensorischen P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b getestet und mit bipolaren Standard-TDCS- und Sham-TDCS-Bedingungen verglichen. Für den Vergleich werden die Daten der mit dem Finger elektrisch stimulierten somatosensorisch evozierten Felder (SEF) vor und nach der Anwendung der drei verschiedenen tDCS-Bedingungen (D-CMI, bipolare Standard- und Sham-Bedingungen) aufgezeichnet. Insbesondere werden die 20ms SEF-Spitzenamplituden vor und nach der Anwendung der drei tDCS-Bedingungen verglichen, um die Leistung von D-CMI im Vergleich zu Sham und bipolarer Standard-TDCS zu testen. Die in dieser Arbeit aus der Simulationsstudie gewonnenen Ergebnisse zeigten, dass die individualisierten D-CMI mc-tDCS-Montagen im Vergleich zur bipolaren Standardmethode hohe Stromintensitäten am Ziel zeigten. Ein weiterer Aspekt der individualisierten D-CMI-Montagen ist die potenzielle Reduzierung von Nebenwirkungen und Hautempfindungen. In dieser Hinsicht berücksichtigt die D-CMI die wichtigsten Stimulationsparameter, wie z. B. eine hohe Zielgerichtetheit (DIR) mit dem Potenzial geringerer Hautsensationen und elektrischer Feldamplituden in entfernten Hirnarealen. Die statistischen Vergleiche der 20ms SEF-Spitzenamplituden aus der experimentellen Studie in dieser Arbeit zeigten, dass der D-CMI-Ansatz den bipolaren Standard-TDCS-Ansatz, der auf das somatosensorische Brodmann-Areal 3b abzielt, übertrifft. Eine reduzierte Hautempfindung und Konsistenz während des gesamten Experiments mit D-CMI-basierter Scheinkonditionierung war ebenfalls erfolgreich. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die D-CMI-Methode in Verbindung mit einer hochindividualisierten Schädelkonduktivität, die durch eine realistische Kopfmodellierung kalibriert wird, zu einer besseren Kontrolle der Stimulationsergebnisse führen kann als die Standard-TDCS-Methoden. Eine integrierte kombinierte MEG- und EEG-Quellenanalyse mit D-CMI-Montagen für die mc-tDCS-Stimulation kann möglicherweise die Kontrolle und Reproduzierbarkeit verbessern und die Empfindlichkeitsunterschiede zwischen Schein- und realen Simulationen verringern.
https://doi.org/10.22032/dbt.59595
Model-based reliability engineering of automotive drivetrain architectures with multi-trajectory simulation. - In: 16th International Probabilistic Safety Assessment and Management Conference 2022 (PSAM 16), (2023), S. 167-179
The reliability of safety-critical systems needs to be evaluated during their design. Model-based systems engineering methods and tools for stochastic discrete-event systems support this with domain-specific models as well as simulation and analysis algorithms for complex dynamic systems. However, reliability models can become computationally expensive to evaluate, either because the state space of the systems is large or if rare events are important. The paper introduces a modular model to evaluate the reliability of fault-tolerant automotive drivetrain architectures for future electric autonomous cabs. We show how the recently proposed multi-trajectory simulation method can solve such problems efficiently, by integrating the advantages of simulation and numerical analysis.
Recommendations of the German Society for Clinical Neurophysiology and Functional Imaging for the diagnosis of irreversible loss of brain function :
Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie und Funktionelle Bildgebung (DGKN) zur Diagnostik des irreversiblen Hirnfunktionsausfalls. - In: Klinische Neurophysiologie, ISSN 1439-4081, Bd. 54 (2023), 4, S. 221-230
Im Zuge der Fünften Fortschreibung der Richtlinie der Bundesärztekammer zur Feststellung des irreversiblen Hirnfunktionsausfalls, gültig seit September 2022, wurden die Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie und Funktionelle Bildgebung (DGKN) zu den ergänzenden elektrophysiologischen und Doppler-sonografischen Untersuchungen aktualisiert. Die hier präsentierten Empfehlungen der DGKN beinhalten die Indikationen, Voraussetzungen und die Durchführung dieser Zusatzverfahren bei Kindern und Erwachsenen.
https://doi.org/10.1055/a-2069-3379
Work in progress - did you check it? : checklist for redesigning a laboratory experiment in engineering education addressing competencies of learning and working 4.0. - In: Open science in engineering, (2023), S. 601-609
Due to the possibilities of digitalization, the world of work is undergoing a profound change towards Industry 4.0 and related Learning and Working 4.0. In this context, new competences are expected from employees, which must also be addressed in STEM disciplines, especially in higher engineering education. Lab courses are particularly suitable for this, because here students can actively work on devices and potentially cyber-physical systems. This contribution is the undertaking of a group of lab teachers from various disciplines working on the joint project CrossLab to formulate what they consider the important aspects of lab teaching as learning outcomes for Industry 4.0. Furthermore, as a final goal, they will be transferred into a checklist that can be used in the implementation of existing and newly designed lab experiments with regard to the required competences of Learning and Working 4.0. Constructive Alignment forms the pedagogical framework, in which intended learning outcomes, teaching-learning activities and learning outcome monitoring must be thought through and planned as a whole. The checklist will extend an existing checklist for the thirteen conventional fundamental lab learning-objectives according to Feisel and Rosa. This work in progress describes first results of this attempt.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-42467-0_56
An extendable microservice architecture for remotely coupled online laboratories. - In: Open science in engineering, (2023), S. 97-109
The CrossLab project aims at creating a new online laboratory paradigm in which various parts of an experiment are modular and composable across institutional boundaries. In this work, we show our progress on the development of the backend infrastructure that drives the distributed and remotely coupled online laboratory infrastructure developed in the CrossLab project. This infrastructure is a technical solution to enable the cross-elements and cross-universities aspects of the CrossLab project, i.e., it enables the composition of various laboratory devices across different universities into one experiment. The backend infrastructure will be embedded in a larger system architecture which we describe briefly. The paper focuses on the details of the REST Interface that the system architecture uses.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-42467-0_9