07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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    ROSIE : RObust Sparse ensemble for outlIEr detection and gene selection in cancer omics data
    (2022) Jensch, Antje; Lopes, Marta B.; Vinga, Susana; Radde, Nicole
    The extraction of novel information from omics data is a challenging task, in particular, since the number of features (e.g. genes) often far exceeds the number of samples. In such a setting, conventional parameter estimation leads to ill-posed optimization problems, and regularization may be required. In addition, outliers can largely impact classification accuracy. Here we introduce ROSIE, an ensemble classification approach, which combines three sparse and robust classification methods for outlier detection and feature selection and further performs a bootstrap-based validity check. Outliers of ROSIE are determined by the rank product test using outlier rankings of all three methods, and important features are selected as features commonly selected by all methods. We apply ROSIE to RNA-Seq data from The Cancer Genome Atlas (TCGA) to classify observations into Triple-Negative Breast Cancer (TNBC) and non-TNBC tissue samples. The pre-processed dataset consists of 16,600 genes and more than 1,000 samples. We demonstrate that ROSIE selects important features and outliers in a robust way. Identified outliers are concordant with the distribution of the commonly selected genes by the three methods, and results are in line with other independent studies. Furthermore, we discuss the association of some of the selected genes with the TNBC subtype in other investigations. In summary, ROSIE constitutes a robust and sparse procedure to identify outliers and important genes through binary classification. Our approach is ad hoc applicable to other datasets, fulfilling the overall goal of simultaneously identifying outliers and candidate disease biomarkers to the targeted in therapy research and personalized medicine frameworks.
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    Lernen und üben wir das Richtige? : Kritische Erfolgsfaktoren der Bewältigung des Massenanfalls von Verletzten : Ergebnisse einer FMEA und einer Analyse von MANV-bezogenen Curricula
    (2021) Drews, Patrick; Berger, Maximilian; Sautter, Johannes; Rohde, Annika
    Der Massenanfall von Verletzten (MANV) ist eine Ausnahmesituation für Rettungsdienst und andere Einsatzkräfte. Trotz niedriger Inzidenz müssen sich die Einsatzkräfte sowohl auf ärztlicher als auch auf nichtärztlicher Seite auf diesen Einsatzfall vorbereiten. In der vorliegenden Pilotstudie wurden anhand einer Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA) die kritischen Einsatzfaktoren im MANV ermittelt und mit den Ausbildungscurricula verglichen. Die herangezogenen Curricula waren Notfallsanitäter:in, organisatorische:r Leiter:in, Konzept zur katastrophenmedizinischen Ausbildung im studentischen Unterricht an deutschen Hochschulen, Nationaler Kompetenz-basierter Lernzielkatalog Medizin (NKLM), Zusatz-Weiterbildung Notfallmedizin und Fortbildung zum:zur leitenden Notarzt:ärztin. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass in der praktischen Ausbildung der MANV eine eher untergeordnete Rolle spielt. Weitere empirische Untersuchungen sind aus Sicht der Autoren notwendig.
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    Untersuchungen zur Eignung mikrohydraulischer Antriebe für die minimal invasive Chirurgie
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Cuntz, Timo; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
    Da schonender für den Patienten, werden chirurgische Eingriffe zunehmend minimal invasiv durchgeführt. Dabei führt der Chirurg durch kleine Schnitte in Haut und Gewebe, ein Endoskop zur Sichtbarmachung der Operationsumgebung als auch chirurgische Spezialinstrumente in den Körper ein. Trotz der hohen Zunahme, der minimal invasiven Eingriffe, stagniert die Entwicklung neuer Werkzeuge für diese Operationstechnik. Zwar wurden neuartige Instrumente mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden an der Spitze entwickelt, diese besitzen aber solch große technische Probleme bei ihrer Anwendung, dass sie kaum benutzt werden. Ein Wechsel, weg von der der mechanischen Kraftübertragung mit Seilzügen, hin zu Direktantrieben, mit kompakten Aktoren in der Instrumentenspitze verspricht die Lösung dieser Probleme. So besteht in der minimal invasiven Chirurgie ein großer Bedarf an leichten, kraftvollen aber dennoch kompakten Antrieben, welche lediglich durch Kabel oder Schläuche und somit räumlich unabhängig im Körper versorgt werden. Beim Vergleich existierender Antriebsarten konnte gezeigt werden, dass hydraulische Antriebe die besten Voraussetzungen mitbringen um die zuvor erarbeiteten Anforderungen zu erfüllen. Die in der Konzeptphase in der Theorie angestellten Abschätzungen, vor allem zur Miniaturisierbarkeit hydraulischer Systeme, damit sich diese für den Einsatz in hydraulisch betriebenen Instrumenten für die Chirurgie eignen, konnten in praktischen Versuchsreihen bestätigt werden. In der Arbeit wurden zunächst leistungsstarke Hydraulikzylinder mit Durchmessern von wenigen Millimetern entwickelt, aus denen anschließend hydraulisch betriebene Instrumentenfunktionsmuster entstanden. Durch die Verwendung biokompatibler Materialien bis hin zu den Hydraulikmedien und dem Nachweis der Sterilisierbarkeit der kompletten Systeme wurde gezeigt, dass hydraulisch betriebene Instrumente die grundlegenden Medizinischen Anforderungen erfüllen und somit ein der Chirurgie eingesetzt werden können. Die durchgeführte Verifizierung der Instrumente demonstrierte, dass sie die geforderten Kräfte erreichen und sogar bei weitem übertreffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Nachweis für die Eignung hydraulischer betriebener Instrumente in der minimal invasiven Chirurgie erbracht.
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    Fertigungstechnische Simulationsmethoden für medizinische Assistenzsysteme
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Wohlfeld, Andreas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
    In der medizinischen Diagnostik und Therapie werden immer häufiger Verfahren eingesetzt, die ausschließlich durch den Einsatz technischer Hilfsmittel realisierbar sind. Dabei wird zwischenzeitlich nicht mehr die vollständige Automatisierung von Abläufen in diesem Bereich angestrebt; stattdessen werden zunehmend kooperative Ansätze verfolgt, die die jeweiligen Stärken von Mensch und technischem System über sogenannte Assistenzsysteme zu vereinen versuchen. Sowohl für die Entwicklung als auch im Umfeld der Nutzung dieser Assistenzsysteme wird vermehrt Simulation in unterschiedlichen Ausprägungen eingesetzt. Aufgrund der zunehmenden Komplexität sowohl der medizinischen Verfahren als auch der technischen Systeme zu deren Unterstützung nimmt dieser Simulationseinsatz weiter zu. Dabei bestehen jedoch Defizite, z.B. im Bereich der Durchgängigkeit der eingesetzten Simulationssysteme über die verschiedenen Lebensphasen der Assistenzsysteme hinweg. Zu den besonderen Anforderungen der Simulation von Assistenzsystemen zählt zudem nicht zuletzt eine Simulation in Echtzeit. Diese Arbeit zeigt unter Nutzung von Parallelen zwischen Medizin- und Fertigungstechnik einen Lösungsansatz dieser Defizite durch den durchgängigen Einsatz von Simulationsmethoden nach fertigungstechnischem Vorbild für medizinische Assistenzsysteme auf. Dabei werden die Assistenzsysteme auf der Basis etablierter industrieller Steuerungstechnik aufgebaut und ein systemunabhängiger Ansatz entwickelt, der die Integration von Peripheriekomponenten aus anderen Anwendungsbereichen als der Fertigungstechnik in derartige Assistenzsysteme ermöglicht.
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    Mathematical modeling of the pituitary-thyroid feedback loop: role of a TSH-T3-shunt and sensitivity analysis
    (2018) Berberich, Julian; Dietrich, Johannes W.; Hoermann, Rudolf; Müller, Matthias A.
    Despite significant progress in assay technology, diagnosis of functional thyroid disorders may still be a challenge, as illustrated by the vague upper limit of the reference range for serum thyrotropin (TSH). Diagnostical problems also apply to subjects affected by syndrome T, i.e. those 10% of hypothyroid patients who continue to suffer from poor quality of life despite normal TSH concentrations under substitution therapy with levothyroxine (L-T4 ). In this paper, we extend a mathematical model of the pituitary-thyroid feedback loop in order to improve the understanding of thyroid hormone homeostasis. In particular, we incorporate a TSH-T3 –shunt inside the thyroid, whose existence has recently been demonstrated in several clinical studies. The resulting extended model shows good accordance with various clinical observations, such as a circadian rhythm in free peripheral triiodothyronine (FT3). Furthermore, we perform a sensitivity analysis of the derived model, revealing the dependence of TSH and hormone concentrations on different system parameters. The results have implications for clinical interpretation of thyroid tests, e.g. in the differential diagnosis of subclinical hypothyroidism.
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    Magneto-hydrodynamische Fokussierung : ein neues Verfahren für die Point of Care Diagnostik
    (Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Reis, Christian; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
    Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind die häufigste Todesursache weltweit mit einem Anteil von 12,2 Prozent. Es wird geschätzt, dass 300.000 Menschen in Deutschland jährlich einen Myokardinfarkt erleiden. Mit über 50.000 Sterbefällen pro Jahr zählt der akute Myokardinfarkt (AMI) zur zweithäufigsten Todesursache in Deutschland. Die lebensbedrohliche Situation wird durch einen plötzlichen Verschluss der Koronararterien ausgelöst, sodass Muskelgewebe nicht mehr mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird. Wird das Gefäß nicht innerhalb weniger Stunden durch entsprechende therapeutische Maßnahmen wieder geöffnet, stirbt das Muskelgewebe ab. Der Tod kann durch die verringerte Pumpleistung mit Zusammenbruch des Herz-Kreislauf-Systems (kardiogener Schock) oder durch Herzrhythmusstörungen eintreten. Bei Verdacht auf einen Myokardinfarkt ist daher keine Zeit zu verlieren. In den letzten Jahrzehnten wurde die Versorgung der Patienten von der Detektion eines Myokardinfarkts am Ort des Geschehens (Point of Care) bis zu einer genauen Analyse des Infarkts im Krankenhaus stetig weiterentwickelt. Die Detektion biomedizinisch relevanter Marker im Blut nimmt dabei einen immer höheren Stellenwert ein. Der Goldstandard zur Diagnose ist die Bestimmung von kardialem Troponin T im Blut, welches schon bei geringen Schädigungen des Herzmuskels in das Blut abgegeben wird. Aufgrund der optischen Eigenschaften von Blut birgt die Detektion dieses Biomarkers zahlreiche Problematiken. Bislang sind daher am Point of Care nur qualitative Aussagen zu einem Myokardinfarkt möglich. Genauere Analysen können erst in größeren Versorgungszentren mit entsprechendem apparativen Aufwand durchgeführt werden. Aussagen zur Schwere des Infarkts am Point of Care könnten in Zukunft zu einer schnellen eingeleiteten Therapie und einer besseren Patientenversorgung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein neues Messkonzept auf Basis oszillierender magnetisierbarer Partikel zur quantitativen Detektion von kardialem Troponin T entwickelt und untersucht. Voraussetzung dafür ist eine Nachweismethode, bei der magnetisierbare Partikel ihre mechanischen Eigenschaften durch biologische Komplexbildungen mit nicht magnetisierbaren Partikeln bei Anwesenheit von Troponin T ändern. Die Arbeit beschäftigt sich als Schwerpunkt mit der theoretischen Auslegung des Nachweisverfahrens auf Basis einer Masseänderung und der Bestimmung des dadurch veränderten Oszillationsverhaltens der magnetisierbaren Partikel in Vollblut. Das Oszillationsverhalten lässt sich durch ein optisches Detektionssystem analysieren, wodurch auf die Menge des vorliegenden Troponin T geschlossen werden kann. Dies ist ein erster Schritt von qualitativen zu quantitativen Aussagen am Point of Care. Neben der theoretischen Auslegung des Systems werden erste Messungen von im Blut sichtbaren Partikeln auf Basis des neuen Systems durchgeführt und im Anschluss diskutiert.
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    Cu-doped calcium phosphate supraparticles for bone tissue regeneration
    (2024) Höppel, Anika; Bahr, Olivia; Ebert, Regina; Wittmer, Annette; Seidenstuecker, Michael; Carolina Lanzino, M.; Gbureck, Uwe; Dembski, Sofia
    Calcium phosphate (CaP) minerals have shown great promise as bone replacement materials due to their similarity to the mineral phase of natural bone. In addition to biocompatibility and osseointegration, the prevention of infection is crucial, especially due to the high concern of antibiotic resistance. In this context, a controlled drug release as well as biodegradation are important features which depend on the porosity of CaP. An increase in porosity can be achieved by using nanoparticles (NPs), which can be processed to supraparticles, combining the properties of nano- and micromaterials. In this study, Cu-doped CaP supraparticles were prepared to improve the bone substitute properties while providing antibacterial effects. In this context, a modified sol-gel process was used for the synthesis of CaP NPs, where a Ca/P molar ratio of 1.10 resulted in the formation of crystalline β-tricalcium phosphate (β-TCP) after calcination at 1000 °C. In the next step, CaP NPs with Cu 2+ (0.5-15.0 wt%) were processed into supraparticles by a spray drying method. Cu release experiments of the different Cu-doped CaP supraparticles demonstrated a long-term sustained release over 14 days. The antibacterial properties of the supraparticles were determined against Gram-positive ( Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus ) and Gram-negative ( Escherichia coli ) bacteria, where complete antibacterial inhibition was achieved using a Cu concentration of 5.0 wt%. In addition, cell viability assays of the different CaP supraparticles with human telomerase-immortalized mesenchymal stromal cells (hMSC-TERT) exhibited high biocompatibility with particle concentrations of 0.01 mg mL -1 over 72 hours.
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    Different coupling mechanisms for a novel modular plate in acetabular fractures : a comparison using a laparoscopic model
    (2024) Menger, Maximilian M.; Herath, Steven C.; Ellmerer, Andreas E.; Trulson, Alexander; Hoßfeld, Max; Leis, Artur; Ollig, Annika; Histing, Tina; Küper, Markus A.; Audretsch, Christof K.
    Introduction: Acetabular fractures are among the most challenging injuries in traumatology. The complex anatomy usually requires extensive surgical approaches baring the risk for iatrogenic damage to surrounding neurovascular structures. As a viable alternative, minimally invasive endoscopic techniques have emerged during the recent years. This paper reports on the feasibility of different coupling mechanisms for a novel suprapectineal plate especially designed for minimally invasive acetabular surgery. Methods: A total number of 34 participants contributed to the present study, who differed in their arthroscopic and surgical experience. A laparoscopic model was used to compare four different coupling mechanisms by the number of failed attempts, the time required for plate fixation, the influence of surgical experience as well as the learning success for each individual coupling mechanism. Moreover, the feasibility of each mechanism was evaluated by a questionnaire. Results: The results demonstrate that plates employing grooved and pressure-sliding coupling mechanisms exhibit fewer failed attempts and reduce trial times, especially in contrast to sole sliding mechanisms. Furthermore, our study revealed that proficiency in endoscopic procedures significantly influenced the outcome. Notably, the subjective evaluation of the participants show that the pressure base and pressure-slide base plate designs are the most supportive and feasible designs. Conclusions: In summary, the present study evaluates for the first-time different plate and coupling designs for minimal-invasive surgery, indicating a superior feasibility for plates with a grooved and pressure-sliding mechanism.
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    Miniature low-cost γ-radiation sensor for localization of radioactively marked lymph nodes
    (2022) Behling, Merlin; Wezel, Felix; Pott, Peter P.
    Detection of metastasis spread at an early stage of disease in lymph nodes can be achieved by imaging techniques, such as PET and fluoride-marked tumor cells. Intraoperative detection of small metastasis can be problematic especially in minimally invasive surgical settings. A γ-radiation sensor can be inserted in the situs to facilitate intraoperative localization of the lymph nodes. In the minimally invasive setting, the sensor must fit through the trocar and for robot-aided interventions, a small, capsule-like device is favorable. Size reduction could be achieved by using only a few simple electronic parts packed in a single-use sensor-head also leading to a low-cost device. This paper first describes the selection of an appropriate low-cost diode, which is placed in a sensor head (Ø 12 mm) and characterized in a validation experiment. Finally, the sensor and its performance during a detection experiment with nine subjects is evaluated. The subjects had to locate a 137Cs source (138 kBq activity, 612 keV) below a wooden plate seven times. Time to accomplish this task and error rate were recorded and evaluated. The time needed by the subjects to complete each run was 95 ± 68.1 s for the first trial down to 40 ± 23.9 s for the last. All subjects managed to locate the 137Cs source precisely. Further reduction in size and a sterilizable housing are prerequisites for in vitro tests on explanted human lymph nodes and finally in vivo testing.
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    Verfahren zur intraoperativen Tumordiagnostik am Beispiel der Thoraxchirurgie
    (2007) Wößner, Stefan; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
    Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Verfahren zur intraoperativen Tumordiagnostik zu entwickeln, welches es dem Chirurgen während der Operation direkt erlaubt, Informationen über Gewebe in Echtzeit zu erhalten. Hierzu wurde auf Basis von Autofluoreszenz eine automatisierte Datenreduktion, -auswertung und –klassifizierung entwickelt, validiert und mittels eines Funktionsmusters realisiert. Ausgehend von der Analyse von Rahmenbedingungen einer Tumoroperation sowie von bestehenden Verfahren zur Tumordiagnostik wurden Anforderungen an ein solches Verfahren abgeleitet. Dabei wurden die Erkennungsleistung sowie die Dauer einer Messung als Hauptanforderungen identifiziert. Hieraus haben sich ergeben, dass die Fluoreszenzdiagnostik und speziell die Autofluoreszenzspektroskopie das größte Potential aufweist, jedoch ein Verfahren zur automatisierten Auswertung und Klassifizierung der Spektren sowie ein Sicherheitskonzept fehlt. Die automatisierte Auswertung wurde mit Hilfe von Methoden der multivariaten Statistik durchgeführt. Eine Datenreduktion mittels Hauptkomponentenanalyse sowie verschiedene Diskriminanzanalysen wurden herangezogen, um eine Zuordnung gemessener Autofluoreszenzspektren zu bekannten Trainingsgruppen durchzuführen und die großen Datenmengen nutzbar zu machen. Ebenso wurden die Risiken von Soft- und Hardware beleuchtet. Das Verfahren wurde anhand von Tumorproben aus dem Bereich der Thoraxchirurgie validiert und Parametersätze optimiert. Dabei zeigte sich, dass bei einer sehr kurzen Messdauer im Bereich von ca. 200ms sehr gute Ergebnisse von bis zu 89% Gesamtdetektionsrate bei einer Spezifität von bis zu 95% erreichbar waren. Anschließend erfolgte die Realisierung in Form eines Funktionsmusters sowie die Erprobung anhand von Proben eines Instituts für Pathologie aus allen Körperbereichen. Hierbei zeigte sich, dass Gesamtdetektionsraten von bis zu 75% bei einer Spezifität von 95% erreichbar waren und ein eigener Parametersatz für jede medizinische Disziplin Vorteile aufweist. Generell ergab sich eine gute Einsetzbarkeit im medizinischen Alltag, schnelle Anwendbarkeiten und Messdauern sowie mit bisherigen Verfahren vergleichbare Detektionsraten.