Medica 2017: Neue Software ermöglicht frühe Diagnose bei Arterienverkalkung
Rund vier Millionen Menschen in Deutschland leiden laut der deutschen Gefäßliga an einer Arterienverkalkung. In den Industrieländern ist sie sogar für die Hälfte aller Todesfälle verantwortlich. „Die Erkrankung wird oft erst im fortgeschrittenen Stadium entdeckt“, sagt Christina Gillmann, Doktorandin am Lehrstuhl „Computer Graphics and Human Computer Interaction“ von Professor Dr. Hans Hagen. „Ärzte können die Ablagerungen in den Blutgefäßen auf CT-Bildern beispielsweise erst erkennen, wenn schon dickere Schichten an den Gefäßwänden vorhanden sind.“ Um die Patienten zu therapieren, hilft dann oft nur noch eine Operation. Rechtzeitig erkannt könnten Betroffene die Krankheit allerdings mit gesunder Ernährung und Bewegung in den Griff bekommen.
Die Informatiker um Gillmann entwickeln derzeit ein Computerprogramm, das Ärzten dabei helfen soll, früh eine Diagnose zu stellen. Dabei nutzen sie bereits vorhandene CT-Bilder. Diese Röntgentechnik liefert Medizinern schichtweise Patienten-Bilder, die meist in Graustufen dargestellt werden. „Die Auflösung der Bilder ist hierbei nicht sehr hoch“, fährt die Forscherin fort. „Die Daten müssen anders aufbereitet werden, um die Arteriosklerose im Frühstadium zu erkennen.“ Zwar gebe es derzeit schon Techniken, mit denen solche Werte aus den CT-Daten herausgelesen werden könnten. Sie seien aber schlicht zu kompliziert und im Praxisalltag für Mediziner nicht anwendbar.
Für ihr Computerprogramm filtern die Informatiker zusätzliche Informationen aus den CT-Aufnahmen heraus. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel die Verzweigungen der Arterien genau darstellen. Die Kaiserslauterer Forscher arbeiten dabei eng mit Medizinern aus dem US-amerikanischen Dayton um Professor Dr. Thomas Wischgoll und aus Kolumbien um Professor Dr. José Tiberio Hernández Peñaloza zusammen. Das Verfahren ist nicht nur für Ärzte interessant, sondern auch für Industrieunternehmen. Sie könnten mit der Technik etwa ihre Produkte gezielter durchleuchten, um mögliche Schadstellen aufzuspüren.
Bis das System eines Tages in Krankenhäusern zum Einsatz kommen wird, braucht es allerdings noch ein paar Jahre Entwicklungsarbeit. Auf der Medica stellen die Wissenschaftler ihr Verfahren am rheinland-pfälzischen Forschungsstand vor.
Die Arbeitsgruppe Computer Graphics and Human Computer Interaction forscht schon lange daran, Daten aus Bildgebungsverfahren für die Medizin derart aufzubereiten, dass sie im klinischen Alltag einfach und zuverlässig nutzbar sind. So ist es ihnen etwa gelungen, mit ihren Verfahren Tumore in Bildern deutlicher von gesundem Gewebe abzutrennen. Die Informatiker arbeiten in ihren Projekten eng mit verschiedenen Partnern zusammen, unter anderem mit dem Universitätsklinikum Leipzig und der Premier Health Klinik im US-amerikanischen Bundesstaat Ohio.
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Mit den Füßen steuern: Neues Computerspiel für die Thrombose-Vorsorge
Die Thrombose ist nach Herzinfarkt und Schlaganfall die dritthäufigste Herz-Kreislauf-Erkrankung. Zur Risiko-Gruppe zählen vor allem ältere Menschen, aber auch Patienten, die aufgrund einer Krankheit lange im Bett liegen müssen oder sich einer größeren Operation unterziehen mussten.
Neben Medikamenten und anderen Präventionsmaßnahmen, wie etwa Kompressionsstrümpfen, helfen auch gezielte Bewegungsübungen, das Thrombose-Risiko zu senken. „Bekannt ist dabei vor allem die Fußwippe oder sogenannte Muskel-Venen-Pumpe, kurz MVP“, sagt Daniel Steffen, Wissenschaftler in der Nachwuchsgruppe wearHEALTH an der TUK. Dabei wird die Fußspitze zunächst weit nach vorne gestreckt und anschließend soweit wie möglich an den Körper herangezogen. Diese Bewegung soll mit beiden Füßen möglichst oft und regelmäßig wiederholt werden. „Allerdings ist die Übung sehr monoton und ermüdend. Die Patienten haben hierbei oft keine hohe Motivation und Ausdauer. Aus Studien wissen wir, dass rund 65 Prozent der Patienten solche Übungen nicht oder nur teilweise durchführen“, erläutert Steffen.
Abhilfe soll hierbei die App „jumpBALL“ schaffen, die der Informatiker entwickelt hat. Es handelt sich dabei um ein Computerspiel, bei dem ein Wasserball über Baumstämme springt, auf denen sich verschiedene Gegenstände wie Diamanten, Münzen, Sterne oder Monster befinden. Springt der Ball darauf, erhält der Spieler Bonuspunkte. Landet der Ball auf einem Monster, werden ihm Punkte abgezogen. „Das Besondere ist, dass die Spieler es mit den Füßen steuern müssen und so gleichzeitig die MVP-Übung durchführen“, so Steffen weiter. Unterstützt wurde er bei der Entwicklung von den Medizinern Dr. Markus Muhm und Dr. Tim Danko vom Westpfalz-Klinikum in Kaiserslautern.
Viel Technik ist nicht notwendig: Neben Smartphone oder Tablet gibt es zwei kleine drahtlose Sensoren, die mit Klettbändern auf den Füßen befestigt werden und die Bewegungen erfassen. „Mit dem linken Fuß etwa springt ein Wasserball einen Baumstamm weiter, mit dem rechten Fuß springt der Ball bis zum übernächsten Stamm“, fährt der Informatiker fort. Fachleute sprechen in diesem Zusammenhang von sogenannten Exergames. „Hierbei werden Videospiele mit körperlichen Übungen verbunden“, erläutert Steffen.
In einer ersten Studie mit 40 Probanden hat Steffen überprüft, wie gut das Spiel die Motivation fördert. Zudem hat er untersucht, wie oft und wie lange die Teilnehmer die Übungen durchführen. Auch ging es darum die Gebrauchstauglichkeit zu testen. Dazu wurden die Probanden in zwei Gruppen eingeteilt. „Eine Gruppe hat jumpBALL gespielt, die Kontrollgruppe verwendete eine Spiel-Variante mit reiner Zählfunktion. Als Anleitung sollten die Probanden der Kontrollgruppe sich vorstellen, Tretboot zu fahren“, so Steffen. Beide Gruppen konnten das Spiel jederzeit aus freien Stücken beenden.
„Wir haben festgestellt, dass die jumpBALL-Gruppe die Übungen deutlich länger und mit mehr Wiederholungen durchgeführt hat, die Motivation also deutlich höher war“, sagt der Informatiker. Das Spiel richtet sich vor allem an ältere Menschen beziehungsweise Patienten. In Langzeitstudien wollen die Forscher nun untersuchen, wie diese mit der Technik zurechtkommen und inwieweit diese spielerischen Ansätze für weitere Bewegungsübungen im Reha-Bereich genutzt werden können.
Die Kaiserslauterer Nachwuchsgruppe wearHEALTH wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Maßnahme „Interdisziplinärer Kompetenzaufbau im Forschungsschwerpunkt Mensch-Technik-Interaktion für den demografischen Wandel“ gefördert. Steffen wird die Arbeit auf der Tagung „Mensch und Computer“ der Gesellschaft für Informatik vorstellen. Sie findet vom 10. bis 13. September in Regensburg statt und steht unter dem Motto „Spielend einfach interagieren“ (http://muc2017.mensch-und-computer.de/…). Mehr zum Programm unter: https://www.conftool.com/…
Die Veröffentlichung „jumpBALL – ein mobiles Exergame für die Thromboseprophylaxe“ erscheint im Sammelband der Tagung „Mensch und Computer“:
https://www.mensch-und-computer.de/…
Zudem wird Steffen die Ergebnisse der Studie auf der Konferenz „CHI PLAY 17“ in Amsterdam im Oktober vorstellen.
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Hannover Messe 2017: Softwaresystem aus Kaiserslautern vernetzt Geräte für das Internet der Dinge
Per Smartphone lässt sich aus der Ferne etwa die Heizung oder das Licht bequem einschalten. Beim Bau eines Autos tauschen Maschinen einer Produktionsanlage Daten aus. Das sind nur zwei Beispiele, die zeigen, dass immer mehr Geräte miteinander vernetzt sind. Das Internet der Dinge, auch „Internet of Things“ (IoT), hat längst Einzug in unseren Alltag gehalten. „Immer mehr Geräte besitzen einen eigenen Netzanschluss und eine IP-Adresse“, sagt Christopher Heinz, Doktorand bei Professor Dr. Christoph Grimm, der an der TU Kaiserslautern den Lehrstuhl für Entwicklung Cyber-Physikalischer Systeme innehat. Die Abkürzung „IP“ steht für Internet Protocol und stellt eine eigene Web-Adresse dar.
In naher Zukunft könnten sich so in vielen Haushalten zum Beispiel der Staubsauger mit der Kaffeemaschine und dem Kühlschrank vernetzen und Daten austauschen. „Bislang müssen die Geräte dazu von ein und demselben Hersteller stammen“, fährt Johannes Kölsch fort, ebenfalls Doktorand am Lehrstuhl. „In der Regel bieten Unternehmen dafür eigene Web-Lösungen an.“
Die beiden Informatiker arbeiten an einem Softwaresystem, das Geräte und Maschinen verschiedener Produzenten vernetzen sollen. „Unsere Technik ähnelt im Prinzip einem Adapter, mit dem man Stecker im Ausland an die andersförmigen Steckdosen anschließen kann“, nennt Kölsch als Vergleich. Fachleute sprechen in diesem Zusammenhang auch von Interoperabilität. Dieser Begriff bezeichnet die Fähigkeit, dass technische Systeme unterschiedlicher Hersteller miteinander kommunizieren und beispielsweise verschiedene Signale erkennen können.
Über eine Software-Schnittstelle möchten die Kaiserslauterer Forscher die Geräte miteinander verbinden. Ihr System soll einfach und nutzerfreundlich aufgebaut sein. Eine spezielle Hardware ist nicht notwendig. Denkbar ist, die Technik in Privathaushalten auf Netzwerkgeräte, die schon vorhanden sind wie zum Beispiel Internet-Router, aufzuspielen. „Man muss seine Geräte nur beim System anmelden“, so Heinz weiter. Das Besondere: Der Nutzer behält die Kontrolle darüber, wer die Geräte ansteuern und verwenden kann. „Er kann einen Zugang für eine andere Person freischalten. Dabei erfolgt die Datenübermittlung verschlüsselt nach aktuellsten Sicherheitsstandards zwischen Sender und Empfänger“, so Kölsch.
Die Technik ist nicht nur für private Haushalte interessant. Unternehmen könnten damit verschiedene Maschinen in ihren Produktionsanlagen verbinden, Krankenhäuser wichtige medizinische Geräte in Laboren und Behandlungsräumen oder Verkehrsunternehmen ihre Busse, Bahnen und Anzeigetafeln an Haltestellen. Auch die Versorgung großer Gebäudekomplexe ließe sich auf diese Weise einfacher steuern, beispielsweise Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Lichtanlagen. Darüber hinaus könnte die Stromzufuhr aus erneuerbaren Energien einfach geregelt werden: Solaranlagen könnten mit diesem System zum Beispiel gespeicherten Strom direkt an Geräte liefern, wenn diese Strom brauchen, etwa Elektroautos, um den Akku aufzuladen.
Die Arbeiten finden im Rahmen des Projektes „VICINITY“ statt, das von der Europäischen Union mit 7,5 Millionen Euro gefördert wird. Es wird von Professor Grimm in Kaiserslautern koordiniert. Insgesamt sind 16 Partner aus Europa an dem Vorhaben beteiligt. Auf der Hannover Messe stellen die Forscher das Projekt vor.
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Cebit 2017: Neues Simulationsverfahren macht komplexe Hard- und Software kompatibel
Heutige Autos bestehen aus vielen Hardware- und Softwarekomponenten: Läuft alles reibungslos, erkennt beispielsweise ein Sensor am Rad des Autos, ob es blockiert oder rutscht. Zugleich überwachen andere Sensoren, ob die Bremsen funktionieren. Dabei kommunizieren diese Systeme gleichzeitig miteinander.
Softwaresysteme werden aus einer Vielzahl solcher Komponenten zusammengesetzt. Entwickler müssen prüfen, ob diese kompatibel zueinander sind. „Dies wird mit neuer Hard- und Software jedoch immer komplexer“, sagt Matthias Jung, Doktorand am Lehrstuhl für Entwurf Mikroelektronischer Systeme von Professor Dr. Norbert Wehn an der Technischen Universität Kaiserslautern. „Es gibt unzählig viele Möglichkeiten, solche Systeme miteinander zu kombinieren. Dabei muss auch immer die Frage beantwortet werden, ob die Technik mit den gewünschten Anforderungen fehlerfrei läuft.“
Gemeinsam mit Kollegen um Dr. Thomas Kuhn vom Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE haben die Forscher im Kaiserslauterer Leistungszentrum „Simulations- und Software-basierte Innovation“ ein Verfahren entwickelt, in dem sie sich solchen Fragestellungen widmen. „Mit unserer Simulationsplattform FERAL können wir schon während der Entwicklung überprüfen, ob Hard- und Softwarekomponenten zusammen funktionieren werden“, sagt Dr. Kuhn, der am Fraunhofer IESE die Abteilung „Embedded Software Engineering“ leitet. Die Abkürzung FERAL steht für Fast Evaluation on Requirements and Architectural Level.
„Wir können hiermit verschiedenste Szenarien durchrechnen, sei es für bereits bestehende Systeme oder für neue Varianten“, so Dr. Kuhn weiter. „Außerdem können wir in unserer virtuellen Plattform zum Beispiel Software und Hardware testen, die es noch gar nicht gibt.“
Mit ihrem Verfahren spüren die Wissenschaftler auch mögliche Fehler auf, die in der Technik eingebaut sind. „Das macht die Methode für die virtuelle Produktentwicklung interessant“, sagt Matthias Jung. Die Forscher stellen ihr System mittelständischen Unternehmen und großen Konzernen als Dienstleistung zur Verfügung. Vor allem zum Testen von eingebetteten Systemen ist die Technik wichtig. Diese Mikrocomputer, die mit ihrer technischen Umgebung interagieren, sind mittlerweile in einer Vielzahl von Produkten verbaut, zum Beispiel in Autos, Flugzeugen, Smartphones, aber auch in Herzschrittmachern oder Dialysegeräten. Darüber hinaus können die Wissenschaftler damit die Reaktion von sicherheitskritischen Systemen, wie sie in Flugzeugen, aber auch in Produktionsanlagen in der Industrie vorkommen, beim Auftreten von Fehlern untersuchen.
Das Team um Kuhn und Jung hat bereits mit Kunden aus der Nutzfahrzeugindustrie und aus dem Anlagenbau zusammengearbeitet. Auf der Cebit stellen sie FERAL am Forschungsstand Rheinland-Pfalz vor.
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Eine leistungsfähige IT-Infrastruktur für Wissenschaft und Lehre
Unter dem Dach der RARP sollen zukünftig die ausgewählten IT-Dienstleistungen der Hochschulen im Land koordiniert, konzeptioniert und in Abstimmung mit dem Ministerium für Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur (MWWK) hoheitlich für alle Hochschulen des Landes angeboten werden. Die Allianz ist damit zentraler Ansprechpartner für alle Fragen der Hochschul-IT in Rheinland-Pfalz.
„Diese Kooperation startet nicht bei null, denn unsere Universitäten und Hochschulen blicken auf eine lange Tradition der Zusammenarbeit zurück. Als moderne Kooperationsplattform wird die RARP zuständig sein für Aufbau, Betrieb und Support zentraler Dienste und Programme für die beteiligten Hochschulen. Von den aus den Stärken der einzelnen Mitglieder gewonnenen Synergien versprechen wir uns, eine zukunftsweisende und wettbewerbsfähige Infrastruktur aufbauen und anbieten zu können“, so Prof. Dr. Konrad Wolf, Wissenschaftsminister von Rheinland-Pfalz.
Das Regionale Hochschulrechenzentrum Kaiserslautern (RHRK) stellt bereits seit 1972 grundlegende IT-Dienstleistungen für alle Hochschulen des Landes zur Verfügung. Zudem können die Hochschulen heute über eine von der JGU Mainz betriebene Netzinfrastruktur auf ein leistungsfähiges Forschungsnetz zurückgreifen. Seit dem Jahr 2000 trägt der virtuelle Campus Rheinland-Pfalz (VCRP) dazu bei, hochschulübergreifend E-Learning und die Möglichkeiten des Internet in Hochschulstudium und –lehre zu verankern. Darüber hinaus zeichnet die seit Anfang 2012 existierende Allianz für Hochleistungsrechnen Rheinland-Pfalz (AHRP) von JGU Mainz und TU Kaiserslautern für eine kompetitive HPC-Infrastruktur verantwortlich.
An der Kooperation beteiligt sind die Hochschulen Kaiserslautern, Koblenz, Ludwigshafen, Mainz, Trier und Worms, die Technische Hochschule Bingen, die Deutsche Universität für Verwaltungswissenschaften Speyer, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Technische Universität Kaiserslautern und die Universitäten Koblenz-Landau und Trier.
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