Three-dimensional light field fundus imaging: automatic determination of diagnostically relevant optic nerve head parameters. - In: Translational Vision Science & Technology, ISSN 2164-2591, Bd. 12 (2023), 7, 21, S. 1-16
Purpose: Morphological changes to the optic nerve head (ONH) can be detected at the early stages of glaucoma. Three-dimensional imaging and analysis may aid in the diagnosis. Light field (LF) fundus cameras can generate three-dimensional (3D) images of optic disc topography from a single shot and are less susceptible to motion artifacts. Here, we introduce a processing method to determine diagnostically relevant ONH parameters automatically and present the results of a subject study performed to validate this method. Methods: The ONHs of 17 healthy subjects were examined and images were acquired with both an LF fundus camera and by optical coherence tomography (OCT). The LF data were analyzed with a novel algorithm and compared with the results of the OCT study. Depth information was reconstructed, and a model with radial basis functions was used for processing of the 3D point cloud and to provide a finite surface. The peripapillary rising and falling edges were evaluated to determine optic disc and cup contours and finally calculate the parameters. Results: Nine of the 17 subjects exhibited prominent optic cups. The contours and ONH parameters determined by an analysis of LF 3D imaging largely agreed with the data obtained from OCT. The median disc areas, cup areas, and cup depths differed by 0.17 mm^2, -0.04 mm^2, and -0.07 mm, respectively. Conclusions: The findings presented here suggest the possibility of using LF data to evaluate the ONH. Translational Relevance: LF data can be used to determine geometric parameters of the ONH and thus may be suitable for future use in glaucoma diagnostics.
https://doi.org/10.1167/tvst.12.7.21
Multivariate assessment of linear and non-linear causal coupling pathways within the central-autonomic-network in patients suffering from schizophrenia. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (viii, 153 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Im Bereich der Zeitreihenanalyse richtet sich das Interesse zunehmend darauf, wie Einblicke in die Interaktions- und Regulationsprozesse von pathophysiologischen- und physiologischen Zuständen erlangt werden können. Neuste Fortschritte in der nichtlinearen Dynamik, der Informationstheorie und der Netzwerktheorie liefern dabei fundiertes Wissen über Kopplungswege innerhalb (patho)physiologischer (Sub)Systeme. Kopplungsanalysen zielen darauf ab, ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, wie die verschiedenen integrierten regulatorischen (Sub)Systeme mit ihren komplexen Strukturen und Regulationsmechanismen das globale Verhalten und die unterschiedlichen physiologischen Funktionen auf der Ebene des Organismus beschreiben. Insbesondere die Erfassung und Quantifizierung der Kopplungsstärke und -richtung sind wesentliche Aspekte für ein detaillierteres Verständnis physiologischer Regulationsprozesse. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung kurzfristiger unmittelbarer zentral-autonomer Kopplungspfade (top-to-bottom und bottom to top) durch die Kopplungsanalysen der Herzfrequenz, des systolischen Blutdrucks, der Atmung und zentraler Aktivität (EEG) bei schizophrenen Patienten und Gesunden. Dafür wurden in dieser Arbeit neue multivariate kausale und nicht-kausale, lineare und nicht-lineare Kopplungsanalyseverfahren (HRJSD, mHRJSD, NSTPDC) entwickelt, die in der Lage sind, die Kopplungsstärke und -richtung, sowie deterministische regulatorische Kopplungsmuster innerhalb des zentralen-autonomen Netzwerks zu quantifizieren und zu klassifizieren. Diese Kopplungsanalyseverfahren haben ihre eigenen Besonderheiten, die sie einzigartig machen, auch im Vergleich zu etablierten Kopplungsverfahren. Sie erweitern das Spektrum neuartiger Kopplungsansätze für die Biosignalanalyse und tragen auf ihre Weise zur Gewinnung detaillierter Informationen und damit zu einer verbesserten Diagnostik/Therapie bei. Die Hauptergebnisse dieser Arbeit zeigen signifikant schwächere nichtlineare zentral-kardiovaskuläre und zentral-kardiorespiratorische Kopplungswege und einen signifikant stärkeren linearen zentralen Informationsfluss in Richtung des Herzkreislaufsystems auf, sowie einen signifikant stärkeren linearen respiratorischen Informationsfluss in Richtung des zentralen Nervensystems in der Schizophrenie im Vergleich zu Gesunden. Die detaillierten Erkenntnisse darüber, wie die verschiedenen zentral-autonomen Netzwerke mit paranoider Schizophrenie assoziiert sind, können zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie zentrale Aktivierung und autonome Reaktionen und/oder Aktivierung in physiologischen Netzwerken unter pathophysiologischen Bedingungen zusammenhängen.
https://doi.org/10.22032/dbt.57589
Effects of spaceflight on the EEG alpha power and functional connectivity. - In: Scientific reports, ISSN 2045-2322, Bd. 13 (2023), 9489, S. 1-10
Electroencephalography (EEG) can detect changes in cerebral activity during spaceflight. This study evaluates the effect of spaceflight on brain networks through analysis of the Default Mode Network (DMN)'s alpha frequency band power and functional connectivity (FC), and the persistence of these changes. Five astronauts' resting state EEGs under three conditions were analyzed (pre-flight, in-flight, and post-flight). DMN’s alpha band power and FC were computed using eLORETA and phase-locking value. Eyes-opened (EO) and eyes-closed (EC) conditions were differentiated. We found a DMN alpha band power reduction during in-flight (EC: p < 0.001; EO: p < 0.05) and post-flight (EC: p < 0.001; EO: p < 0.01) when compared to pre-flight condition. FC strength decreased during in-flight (EC: p < 0.01; EO: p < 0.01) and post-flight (EC: ns; EO: p < 0.01) compared to pre-flight condition. The DMN alpha band power and FC strength reduction persisted until 20 days after landing. Spaceflight caused electrocerebral alterations that persisted after return to earth. Periodic assessment by EEG-derived DMN analysis has the potential to become a neurophysiologic marker of cerebral functional integrity during exploration missions to space.
https://doi.org/10.1038/s41598-023-34744-1
Laser-based door localization for autonomous mobile service robots. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 23 (2023), 11, 5247, S. 1-17
For autonomous mobile service robots, closed doors that are in their way are restricting obstacles. In order to open doors with on-board manipulation skills, a robot needs to be able to localize the door’s key features, such as the hinge and handle, as well as the current opening angle. While there are vision-based approaches for detecting doors and handles in images, we concentrate on analyzing 2D laser range scans. This requires less computational effort, and laser-scan sensors are available on most mobile robot platforms. Therefore, we developed three different machine learning approaches and a heuristic method based on line fitting able to extract the required position data. The algorithms are compared with respect to localization accuracy with help of a dataset containing laser range scans of doors. Our LaserDoors dataset is publicly available for academic use. Pros and cons of the individual methods are discussed; basically, the machine learning methods could outperform the heuristic method, but require special training data when applied in a real application.
https://doi.org/10.3390/s23115247
Adaptive query compilation with Processing-in-Memory. - In: 2023 IEEE 39th International Conference on Data Engineering workshops, (2023), S. 191-197
The challenge of today’s DBMS is to integrate modern hardware properly in order to provide efficiency and performance. While emerging technologies like Processing-in-Memory (PIM) reduce the bottleneck when accessing memory by offloading computation, DBMSs must adapt to the new characteristics and the provided processing models in order to make use of it efficiently. The Single Program Multiple Data (SPMD) models require a special precompiled program for PIM-enabled chips in the UPMEM architecture. Integrating this model into the query processing of a DBMS can improve the overall performance by efficiently exploiting the underlying characteristic of high parallel execution directly on memory. To address this, we propose an approach to integrate this programming model directly into the query processing by leveraging adaptive query compilation. The experiment results show an improvement in the execution times compared to the execution on non-PIM hardware.
https://doi.org/10.1109/ICDEW58674.2023.00035
Perception of Color Break-Up. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (xxv, 232 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Hintergrund. Ein farbverfälschender Bildfehler namens Color Break-Up (CBU) wurde untersucht. Störende CBU-Effekte treten auf, wenn Augenbewegungen (z.B. Folgebewegungen oder Sakkaden) während der Content-Wiedergabe über sogenannte Field-Sequential Color (FSC) Displays oder Projektoren ausgeführt werden. Die Ursache für das Auftreten des CBU-Effektes ist die sequenzielle Anzeige der Primärfarben über das FSC-System. Methoden. Ein kombiniertes Design aus empirischer Forschung und theoretischer Modellierung wurde angewendet. Mittels empirischer Studien wurde der Einfluss von hardware-, content- und betrachterbasierten Faktoren auf die CBU-Wahrnehmung der Stichprobe untersucht. Hierzu wurden zunächst Sehleistung (u. a. Farbsehen), Kurzzeitzustand (u. a. Aufmerksamkeit) und Persönlichkeitsmerkmale (u. a. Technikaffinität) der Stichprobe erfasst. Anschließend wurden die Teilnehmenden gebeten, die wahrgenommene CBU-Intensität verschiedener Videosequenzen zu bewerten. Die Sequenzen wurden mit einem FSC-Projektor wiedergegeben. Das verwendete Setup ermöglichte die Untersuchung folgender Variablen: die Größe (1.0 bis 6.0˚) und Leuchtdichte (10.0 bis 157.0 cd/m2) des CBU-provozierenden Contents, das Augenbewegungsmuster des Teilnehmenden (Geschwindigkeit der Folgebewegung: 18.0 bis 54.0 ˚/s; Amplitude der Sakkade: 3.6 bis 28.2˚), die Position der Netzhautstimulation (0.0 bis 50.0˚) und die Bildrate des Projektors (30.0 bis 420.0 Hz). Korrelationen zwischen den unabhängigen Variablen und der subjektiven CBU-Wahrnehmung wurden getestet. Das ergänzend entwickelte Modell prognostiziert die CBU-Wahrnehmung eines Betrachters auf theoretische Weise. Das Modell rekonstruiert die Intensitäts- und Farbeigenschaften von CBU-Effekten zunächst grafisch. Anschließend wird die visuelle CBU-Rekonstruktion zu repräsentativen Modellindizes komprimiert, um das modellierte Szenario mit einem handhabbaren Satz von Metriken zu quantifizieren. Die Modellergebnisse wurden abschließend mit den empirischen Daten verglichen. Ergebnisse. Die hohe interindividuelle CBU-Variabilität innerhalb der Stichprobe lässt sich nicht durch die Sehleistung, den Kurzzeitzustand oder die Persönlichkeitsmerkmale eines Teilnehmenden erklären. Eindeutig verstärkende Bedingungen der CBU-Wahrnehmung sind: (1) eine foveale Position des CBU-Stimulus, (2) eine reduzierte Stimulusgröße während Sakkaden, (3) eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit des Auges und (4) eine niedrige Bildrate des Projektors (Korrelation durch Exponentialfunktion beschreibbar, r2 > .93). Die Leuchtdichte des Stimulus wirkt sich nur geringfügig auf die CBU-Wahrnehmung aus. Generell hilft das Modell, die grundlegenden Prozesse der CBU-Genese zu verstehen, den Einfluss von CBU-Determinanten zu untersuchen und ein Klassifizierungsschema für verschiedene CBU-Varianten zu erstellen. Das Modell prognostiziert die empirischen Daten innerhalb der angegebenen Toleranzbereiche. Schlussfolgerungen. Die Studienergebnisse ermöglichen die Festlegung von Bildraten und Eigenschaften des CBU-provozierenden Content (Größe und Position), die das Überschreiten vordefinierter, störender CBU-Grenzwerte vermeiden. Die abgeleiteten Hardwareanforderungen und Content-Empfehlungen ermöglichen ein praxisnahes und evidenzbasiertes CBU-Management. Für die Vorhersage von CBU kann die Modellgenauigkeit weiter verbessert werden, indem Merkmale der menschlichen Wahrnehmung berücksichtigt werden, z.B. die exzentrizitätsabhängige Netzhautempfindlichkeit oder Änderungen der visuellen Wahrnehmung bei unterschiedlichen Arten von Augenbewegungen. Zur Modellierung dieser Merkmale können teilnehmerbezogene Daten der empirischen Forschung herangezogen werden.
https://doi.org/10.22032/dbt.57446
FS3change: a scalable method for change pattern mining. - In: IEEE transactions on software engineering, ISSN 1939-3520, Bd. 49 (2023), 6, S. 3616-3629
Mining change patterns can give unique understanding on the evolution of dynamically changing systems like social relation graphs, weblinks, hardware descriptions and models. A more recent focus is source code change pattern mining that may qualitatively justify expected or uncover unexpected patterns. These patterns then offer a basis, e.g., for program language evolution or auto-completion support. We present a change pattern mining method that greatly expands the limits of input data and pattern complexity, over existing methods. We propose scalability solutions on conceptual and algorithmic level, thereby evolving the state-of-the-art sampling-based frequent subgraph mining method FS3, resulting in 75% reduction in memory consumption and a speedup of 6500 for a large scale dataset. Patterns can have 100,000 s of occurrences for which manual review is impossible and may lead to misinterpretation. We propose the novel content track approach for interactively exploring pattern contents in context, based on marginal distributions. We evaluate our approach by mining 1,000 open source projects contributing a total of 558 million changes and 2 billion contextual connections among them, thereby, demonstrating its scalability. A manual interpretation of 19 patterns shows sensible mined patterns allowing to deduct implications for language design and demonstrating the soundness of the approach.
https://doi.org/10.1109/TSE.2023.3269500
Artificial intelligence in nature conservation :
Künstliche Intelligenz im Naturschutz. - In: Natur und Landschaft, ISSN 0028-0615, Bd. 98 (2023), 6/7, S. 304-311
Literaturangaben
SW: Naturschutz ; maschinelles Lernen ; künstliche Intelligenz (KI) ; automatische Artenerkennung ; Vorhersagemodelle ; nachvollziehbare KI ; Reproduzierbarkeit
Optimization of magnetic cobalt ferrite nanoparticles for magnetic heating applications in biomedical technology. - In: Nanomaterials, ISSN 2079-4991, Bd. 13 (2023), 10, 1673, S. 1-22
Using magnetic nanoparticles for extracorporeal magnetic heating applications in bio-medical technology allows higher external field amplitudes and thereby the utilization of particles with higher coercivities (HC). In this study, we report the synthesis and characterization of high coercivity cobalt ferrite nanoparticles following a wet co-precipitation method. Particles are characterized with magnetometry, X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and calorimetric measurements for the determination of their specific absorption rate (SAR). In the first series, CoxFe3−xO4 particles were synthesized with x = 1 and a structured variation of synthesis conditions, including those of the used atmosphere (O2 or N2). In the second series, particles with x = 0 to 1 were synthesized to study the influence of the cobalt fraction on the resulting magnetic and structural properties. Crystallite sizes of the resulting particles ranged between 10 and 18 nm, while maximum coercivities at room temperatures of 60 kA/m for synthesis with O2 and 37 kA/m for N2 were reached. Magnetization values at room temperature and 2 T (MRT,2T) up to 60 Am^2/kg under N2 for x = 1 can be achieved. Synthesis parameters that lead to the formation of an additional phase when they exceed specific thresholds have been identified. Based on XRD findings, the direct correlation between high-field magnetization, the fraction of this antiferromagnetic byphase and the estimated transition temperature of this byphase, extracted from the Mössbauer spectroscopy series, we were able to attribute this contribution to akageneite. When varying the cobalt fraction x, a non-monotonous correlation of HC and x was found, with a linear increase of HC up to x = 0.8 and a decrease for x > 0.8, while magnetometry and in-field Mössbauer experiments demonstrated a moderate degree of spin canting for all x, yielding high magnetization. SAR values up to 480 W/g (290 kHz, 69 mT) were measured for immobilized particles with x = 0.3, whit the external field amplitude being the limiting factor due to the high coercivities of our particles.
https://doi.org/10.3390/nano13101673
On time constraints for Internet-connected multi-user real-time traffic simulation. - In: 2023 IEEE Vehicular Networking Conference (VNC), (2023), S. 187-190
In recent years, the inclusion of vulnerable road users (VRUs) such as bicyclists in road traffic systems has become a topic of general interest. However, the development and testing with humans in the loop are complicated. Co-simulation of cyclists on a training stand together with road traffic and vehicular networking simulation helps to get more insights into traffic interactions. This approach is currently limited as that only one real-time cycling stand can be supported. Therefore, we extend a centralized intelligent transportation systems (ITS) simulation to allow multiple real-time users simultaneously. We developed an architecture building upon new extrapolation and convergence algorithms to deal with communication lags. Our proof-of-concept for internet-connected multi-user real-time simulation confirms the general feasibility and allows us to gain insights into its technical limitations.
https://doi.org/10.1109/VNC57357.2023.10136338