Expertensystem Anämiediagnostik

5. Zusammenfassung Das Ziel dieser Arbeit war es, ein wissensbasiertes Expertensystem zur Anämiediagnostik zu entwickeln. Die Software j.MD - Java System to Support Medical Diagnostik Reasoning, der Firma Wormek in Kooperation mit Sysmex Deutschland war vorgegeben. Aufbauend auf allgemeingültigen Erläuterungen zur Anämiediagnostik, morphologischen Kriterien und ätiologisch-pathogenetischer Gesichtspunkte wurden Entscheidungsbäume gebildet, die die Grundlage für das Regelwerk der Wissensbasis in j.MD darstellten. Die Erstellung des Expertensystems mit der Struktur der j.MD-Software, die auf das Vorgängermodell Pro.M.D. aufbaut, war der zentrale Abschnitt der vorliegenden Arbeit. Die drei Teilbereiche der j.MD-Software – Erstellung und Testung von Wissensbasen (j.MD-Knowledge Editor mit j.MD Debugger) sowie die seperate Benutzeroberfläche für den Anwender (j.MD Front End) – wurden vorgestellt und untersucht. Der Debugger ist das Prüfelement der Knowledge- und Text Base und zeigt bei der Überprüfung und Fehlersuche gleichzeitig den Ort des fehlerhaften Elementes an. Mittels des Front End ist der Nutzer in der Lage, schnell seine Daten zu überprüfen und sofort einen Befundkommentar (Report) zu erhalten. Dieser Report ergibt sich aus der Verarbeitung der Links zwischen den Elementen der Knowledge- und der Text Base, gemäß den vorab definierten Konzepten und Regeln. Der Bericht wurde in einer definierten, individuell festlegbaren Struktur präsentiert. Im Rahmen der Programmierarbeit kam diesem Element jedoch eine untergeordnete Bedeutung zu. Es wurde eine Wissensbasis zur Anämiediagnostik (rotes Blutbild) erstellt, die sich aus zwei Hauptteilen, der Knowledge Base und der Text Base zusammensetzt. Insgesamt beinhalten beide Teile 76 Konzepte und Unterkonzepte mit 76 dazugehörigen Regeln sowie 30 Laborparameter. Den Laborparametern wurden die entsprechenden LOINC-Codes zugeordnet. Ferner wurden zusätzliche Regeln programmiert, die den Befundbericht in der Text Base definieren (Layout). Außerdem wurden 100 Testpatienten mit Laborparametern angelegt, da eine Überprüfung der programmierten Daten (Konzepte, Regeln) im Testelement Debugger nur mithilfe von Patientendaten möglich ist. Die Testpatienten wurden mit der j.MD-Software angelegt. Die Testdaten müssen jedoch extern auf der Festplatte des Computers gespeichert werden und sind in j.MD nicht zu sehen. Die Ergebnisse aus der Datenüberprüfung im Debugger werden in dem sogenannten Befundkommentar (Report) zusammengefasst dargestellt. Es konnte gezeigt werden, dass j.MD zur Entwicklung von wissensbasierten Expertensystemen geeignet ist, jedoch die Anwendung für Laien ohne Einführung und begleitende Expertenunterstützung nicht möglich ist. Obwohl j.MD in der plattformunabhängigen Programmiersprache JAVATM erstellt wurde, was die problemlose Integration in ein vorhandenes Labor-EDV-System ermöglichen sollte, war die Software nicht selbsterklärend, sodass trotz eines Einführungsseminars die Unterstützung durch einen sogenannten „knowledge engeneer“ in Anspruch genommen werden musste. Erschwerend kam in der vorliegenden Untersuchung hinzu, dass die Software zum Zeitpunkt der Erstellung des Expertensystems nicht fertig entwickelt war, Fehler (Bugs) waren vorhanden und mussten kontinuierlich durch die Firma Wormek korrigiert werden. Die Einbindung einer vorinstallierten LOINC© Datenbank zur Identifikation von Laborparametern ermöglichte eine exakte Codierung von Parametern und bot gleichzeitig eine Verbindung zu internen Kommunikationssystemen. Die regelmäßig vom Regenstief Institut aktualisierte Datenbank war ein hilfreiches Element der Software, da die Laborparameter nicht einzeln neu definiert werden mussten. Das Ziel, ein wissensbasiertes Expertensystem zur Anämiediagnostik mithilfe der Software j.MD zu erstellen, wurde erreicht. Aufgrund verschiedener Schwierigkeiten in der Anwendung und diverser Unzuverlässigkeiten des Systems sowie unerwarteter Einschränkungen wie etwa die Tatsache, dass nur eindeutige Referenzbereiche und nur das rote Blutbild in das Expertensystem eingebracht werden konnten, wurde jedoch auf eine Integration des j.MD Expertensystems in die Labor-EDV in Marburg verzichtet

Hybride Wissensverarbeitung in der präventivmedizinischen Diagnostik

von Andreas KollerPaderborn, Univ.-GH, Diss., 199

Modellierung eines intensivmedizinischen Behandlungsprotokolls zur Validierung anhand realer Patientendaten

In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Entwicklung intensivmedizinischer Behandlungsprotokolle für den Einsatz am Krankenbett vorgestellt. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen wird dabei die Modellierung medizinischen Wissens bereits sehr früh anhand von protokollierten medizinischen Verlaufsdaten validiert. Der Schlüssel zu einer weitreichenden Unterstützung medizinischer Experten ist dabei die Formalisierung und Repräsentation als wissensbasiertes System. Nach der Umsetzung eines noch nicht lauffähigen Modellentwurfs in einen solchen Formalismus werden die Vorteile des Vorgehens exemplarisch anhand einiger Experimente mit Verlaufsdaten aufgezeigt

On Interdisciplinary Development of Safety-Critical Automotive Assistance and Automation Systems

Assistenz- und Automationssysteme im Automobil zeichnen sich verstärkt durch eine große Komplexität und einen hohen Vernetzungsgrad aus. Weiterhin existiert eine Vielzahl von Anforderungen anderer Fachdisziplinen an die Funktionsentwicklung, beispielsweise im Bereich der funktionalen Sicherheit. Somit ergibt sich für Entwickler nicht nur eine gestiegene Komplexität der Systeme, sondern auch der einzuhaltenden Entwicklungsprozesse. Die vorliegende Arbeit liefert eine neue Methode, die Entwickler bei der Bewältigung dieser Komplexität unterstützt. Dabei wird ihnen problemorientiert und zielgerichtet relevantes Wissen anderer Fachdisziplinen aufbereitet und zur Verfügung gestellt. Somit können Entwurfsalternativen früher als bisher im Kontext der Gesamtentwicklung bewertet werden, was sich positiv auf Produktqualität und Entwicklungszeit auswirkt. Die Basis dieser Methode ist die offen und flexibel gestaltete Formalisierung des Entwicklungsprozesses unter Verwendung der Web Ontology Language (OWL). Darauf aufbauend werden interdisziplinäre Entwicklungsaktivitäten verknüpft und die Analysierbarkeit des formalisierten Wissens wird für automatische Schlussfolgerungen genutzt. So werden insbesondere Einflussanalysen möglich, um über die eigene Domäne hinaus Änderungen bezüglich des Gesamtentwicklungsprozesses zu bewerten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine prototypische Werkzeugkette implementiert, die die beschriebene Methode umsetzt und deren technische Realisierbarkeit demonstriert. Als Anwendungsbeispiel dient die angedeutete Weiterentwicklung eines radarbasierten Abstandsregeltempomaten zu einem Notbremssystem. Dabei wird insbesondere der Einfluss der funktionalen Sicherheit auf die Funktionsentwicklung beleuchtet, indem aus einem formalisierten Wissensmodell des Standards ISO 26262 notwendige Anforderungen und Methoden für den Gesamtentwicklungsprozess abgeleitet werden.Automotive assistance and automation systems increasingly present high levels of complexity and connectivity. In addition, more and more specific requirements in disciplines like functional safety have to be considered during functional development. Thus, developers have to cope with increasing levels of product complexity, but also complexity of the development process. This thesis presents a new method which supports developers in handling these dimensions of complexity. Therefore relevant knowledge of other disciplines is presented to them in a solution-oriented way. Thus, design alternatives can be assessed much earlier in the overall development process which has a positive impact on product quality and development cycles. The method’s base is an open and flexible formalization of the development process using the Web Ontology Language (OWL). OWL is used to link different interdisciplinary development activities whereas the analyzability of formalized knowledge enables automated reasoning. This especially introduces an impact analysis to assess major cross-cutting changes to the product in the context of the overall development process. For this thesis a prototype toolchain has been developed which implements the described method and demonstrates its technical feasibility. The extension of a radar-based adaptive cruise control system towards an emergency braking system is sketched as an example for the prototype toolchain. In this example, the impact of functional safety on the functional development is focused, involving a formalized model of requirements and methods from ISO 26262

Semantische Informationsintegration - Konzeption eines auf Beschreibungslogiken basierenden Integrationssystems für die Produktentwicklung

Aufgrund der Notwendigkeit, unkontrolliert aufkommende Datenfluten zu beherrschen sowie der steigenden Produktkomplexität resultiert der Handlungsbedarf, skalierbare Informationsintegrationslösungen zu finden, die einen effizienten und kontextbezogenen Zugriff auf Wissen unterstützen. Einsatz eines semantischen Integrationskonzepts in der Produktentwicklung erweitert den Wissensbeschaffungsraum des Ingenieurs enorm und ermöglicht die Interoperabilität heterogener Informationssysteme

Rückmeldungen aus Schulleistungstests an Lehrkräfte durch interaktive Informationsvisualisierungen

Teaching staff are expected to be able to use results from comprehensive student achieve-ment tests to improve their instruction. For these data-driven decision-making processes, skills that could be denoted as data literacy are required. Research has shown, however, that in some cases these competencies are not sufficiently pronounced and that feedback is often difficult to understand. Furthermore, the research demonstrated that it is necessary to in-crease the comprehensibility of feedback by using data visualizations. Regional state insti-tutes for education tasked with providing feedback supported teaching staff by offering fur-ther training and handouts on how to use external achievement test results. The matter of increasing the comprehensibility of feedback remains unaddressed. This gap in the research will be taken up in this thesis, which uses the example of comparative achievement tests to approach the question of whether the comprehensibility of achievement-test feedback could be increased by using a feedback system with interactive information visualizations. As part of a study with a cross-sectional design, twenty primary school teachers compared a familiar paper-based feedback for achievement-test results with a new, interactive feedback system. First, the teachers participating in the study assessed the perceived time required to answer the questions asked about the test results. Secondly, the teachers assessed how useful the feedback formats were for answering the questions. The results show that, on average, the questions asked about the data could be answered significantly more quickly using the interactive information visualizations. Furthermore, interactive information visualizations are assessed as being significantly more useful on average. Matrix visualizations were prov-en to have particularly positive effects. For the co-variables only one significant effect was perceived: Teachers with a high level of data literacy assessed the interactive feedback sys-tem as being faster. Moreover, the teachers gave statements regarding requirements for an interactive feedback system and their attitudes and experiences in working with achievement tests. The findings of this study indicate that feedback systems with a user- and demand-oriented graphic layout are becoming more important

Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP 2017 : Stuttgart, 29. Juni 2017, Wissenschaftliche Konferenz

Veränderte Anforderungen in internationalen Märkten erfordern hohe Anstrengungen, um Prozesse in Innovation und Produktentwicklung zu optimieren. Das Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung (SSP) ermöglicht die Diskussion der an Produktgestaltung und -entwicklung beteiligten Disziplinen aus Industrie und Wissenschaft. Das SSP zeigt, wie erfolgreiche Produkte effizient gestaltet und entwickelt werden. Neueste Forschungsergebnisse zu Methoden, Strategien und Werkzeugen werden vorgestellt, um Prozesse zu verbessern und die Digitalisierung zu unterstützen. Mit dem Ziel, nationale und internationale Fachleute unterschiedlicher Disziplinen der Produktentwicklung aus Industrie und Wissenschaft in den Dialog zu bringen, veranstaltet das Fraunhofer IAO gemeinsam mit dem Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design IKTD, dem Institut für Maschinenelemente IMA und dem Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der Universität Stuttgart das Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung SSP. Am 28. und 29. Juni 2017 fand das SSP bereits zum vierten Mal im Zentrum für Virtuelles Engineering des Fraunhofer IAO statt, nachdem die Symposien 2011, 2013 und 2015 mit jeweils über 200 Besuchern aus Wissenschaft und Wirtschaft großen Zuspruch gefunden hatten. Am Forumstag stand wie immer die Industrie im Fokus, am zweiten Tag die wissenschaftliche Konferenz. Die Konferenz bietet Wissenschaftlern eine Plattform zur Präsentation und Diskussion ihrer neuesten Forschungsergebnisse im Bereich der Produktentwicklung und fördert so den interdisziplinären Wissenstransfer. Aufgerufen waren in der SSP 2017 Beiträge aus folgenden Kategorien: • Wissensmanagement in der Produktentwicklung • Nachhaltige Produktentwicklung • Altersgerechte Produktentwicklung • Zuverlässige Produktentwicklung • Industrie 4.0/Cyber-Physical Products • Konstruktionsmethodiken • Leichtbau in der Produktentwicklung • Nutzerzentriertes Design • Innovations- und Technologiemanagement • Digital Engineering • Lean Development. Eingereicht wurden Beiträge zu Methoden, Strategien und Verfahren, die es ermöglichen, Produktentwicklungsprozesse zu vernetzen, digitale Werkzeuge zu integrieren und die Potenziale neuer Technologien und Werkstoffe optimal auszuschöpfen

Modellbasierte Unterstützung der Produktentwicklung - Potentiale der Modellierung von Produktentstehungsprozessen am Beispiel des integrierten Produktentstehungsmodells (iPeM) = Model Based Support of Product Development - Potentials of Modelling Product Engineering Processes using the example of the Integrated Product Engineering Model (iPeM)

In dieser Arbeit erfolgt eine Spezifizierung des Nutzens und Aufwands der Prozessmodellierung in der Produktentwicklung. Im Rahmen von systematisch aufeinander aufbauenden Studien werden Möglichkeiten und Grenzen erforscht, um einen Modellierungsansatz in der Praxis anwendbar zu machen. Aus der Evaluation verschiedener Werkzeuge und Modellierungstechniken folgt als Kernergebnis der Dissertation eine Erweiterung des zugrunde gelegten Modellverständnisses in Form eines fraktalen Metamodells

Methoden und Werkzeuge für eine datengetriebene Entwicklung digitaler Gesundheitsanwendungen

Dem Paradigma der Präzisionsmedizin folgend schaffen digitale Gesundheitsanwendungen die Grundlage für eine personalisierte Versorgung, um damit die Effizienz und Effektivität von Gesundheitssystemen zu erhöhen. Im Kontext weltweit entstehender digitaler Gesundheitsökosysteme stehen dabei Daten als treibender Faktor im Mittelpunkt des Entwicklungsprozesses. Welche Methoden und Werkzeuge benötigt werden, um das dadurch mögliche Zusammenspiel zwischen einer datengetriebenen und einer wissensbasierten Entwicklung von digitalen Gesundheitsanwendungen zu unterstützen, wird in dieser Arbeit untersucht und anhand eines Rahmenwerks beschrieben. Durch Anwendung der Design Science Research Methode werden diesbezügliche Artefakte einem probleminitiierten Ansatz folgend entworfen, implementiert und durch quantitative sowie qualitative Methoden evaluiert. Dafür wird zunächst ein Vorgehensmodell abgeleitet, welches die zu beantwortenden Fragen in den Phasen der Digitalisierung, Automatisierung und Optimierung bis hin zur Translation in die medizinische Versorgung adressiert. Unter Beachtung entsprechender Normen findet eine Verknüpfung von interdisziplinären Methoden, Anforderungen sowie technologischen Ansätzen zu einer Wissensbasis statt, womit die Grundlage für zu entwickelnde Werkzeuge gelegt wird. Diese werden im Anwendungskontext dementieller Syndrome eruiert und pro Artefakt demonstriert sowie im Detail mit $n$ Probanden multiperspektivisch validiert. In Kooperation mit einer gerontopsychiatrischen Klinik werden diesbezüglich domänenspezifische Anforderungen an digitale Gesundheitsanwendungen bestimmt. Hierfür findet exemplarisch die explorative Entwicklung eines ambulanten Systems zur Messung kognitiver Leistungsparameter statt. Eine im Kontext dieser Zusammenarbeit durchgeführte Feldstudie ($n=55$) mit kognitiv eingeschränkten Personen zeigt Potentiale und Herausforderungen, welche durch die digitale Erfassung, Vernetzung und Auswertung von neuropsychologischen Daten entstehen. Dabei werden ebenfalls Anforderungen bezüglich der zielgruppenspezifischen Gestaltung einer gebrauchstauglichen Nutzerschnittstelle ($n=91$) gesammelt, welche in einem Leitfaden zusammenfließen und in einer grafischen Benutzeroberfläche iterativ implementiert werden. Aus der Perspektive von Datensubjekten ($n=238$) wird zusätzlich untersucht, welchen Stellenwert ein selbstbestimmter Umgang mit dieser Art von personenbezogenen Daten hat und für welche Zwecke diese aus deren Sicht eingesetzt werden sollten. Im Zuge dieses Entwicklungsprozesses sind ebenfalls Ansätze zur Automatisierung und Optimierung der Datenauswertung für die Ableitung des Gesundheitszustandes notwendig. Diese Schritte liefern als Artefakte, neben den Ergebnissen zum Vergleich verschiedener Algorithmen aus dem Bereich des maschinellen Lernens, die Identifikation von dafür geeigneten Leistungs- und Optimierungsmaßen sowie Merkmalsselektionsverfahren. Im Vergleich mit schwellwertbasierten Verfahren zur Operationalisierung von Bewertungsmetriken (maximaler Cohen\u27s Kappa $\kappa = 0,67$) erreicht die durch maschinelles Lernen gestützte Softwareanwendung eine höhere durchschnittliche Sensitivität von 83% bei einer 93%igen Spezifität (maximaler Cohen\u27s Kappa $\kappa = 0,79$) für die Erkennung von kognitiven Einschränkungen. Die automatisierte Erfassung hierfür notwendiger Merkmale erfolgt durch neu entwickelte Ansätze und zeigt zukünftige Forschungsaktivitäten auf, welche die damit verbundenen Herausforderungen adressieren. Dabei werden Indikatoren identifiziert, wodurch sich die Potentiale in computergestützten Modellen aufzeigen. Diese liefern zusätzliche Erkenntnisse über das Spannungsfeld zwischen einer zuverlässigen Erfüllung klinischer Leitlinien sowie regulatorischer Implikationen insbesondere hinsichtlich der Erklärbarkeit datengetriebener Optimierungs- und Automatisierungsansätze. Eine Untersuchung der Transferpotentiale in die deutsche Regelversorgung aus der Perspektive unterschiedlicher Interessenvertreter unterstreicht diese Punkte. Hierfür konzipierte Werkzeuge und Methoden ermöglichen einerseits die empirische Untersuchung der Adhärenz solcher digitaler Lösungen bezüglich der Nutzungsbereitschaft ($n=29$) sowie deren zeitliche Entwicklung ($n=18$). Andererseits werden damit die Akzeptanzkriterien der kassenärztlich organisierten Leistungserbringer im deutschen Gesundheitswesen ($n=301$) erhoben und dargestellt, welchen Einfluss diese auf Markteintrittsstrategien haben. Darauf aufbauend werden Wege definiert, um einen Beitrag zur Entlastung des Gesundheitssystems zu leisten. Die gesammelten Erkenntnisse werden hierfür in einem ganzheitlichen Plattformkonzept zur Entwicklung personalisierter Präventions- und Behandlungsprogramme gebündelt