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

Von persönlicher Schutzbekleidung zum mobilen Schutzassistenzsystem

Miniaturized and embedded computers open new prospects for Personal Protective Equipment (PPE). PPE will recognize context and react on environmental hazards in an autonomous way in the future. Networked components may predict dangerous situations. These complex systems demand a new participatory design process because the new protective functions have to adjust between user and automated technique for practical use. This PhD thesis deals with the user-oriented development process for these new ambient assisted protection systems. A specific workflow follows the process-oriented and networked character of the new mobile protection system. In addition designated design attributes motivate the need of clothing related solutions

Gesundheits-Roboter für Senior/innen: neue Informations- und Kommunikationstechnologien in der alternden Gesellschaft

Die Dissertation nimmt die Vision einer roboterunterstützten Gesundheits-Assistenz älterer Menschen hinsichtlich der Gesundheitskommunikation in den Blick. Dazu wurde eine Roboter-Plattform durch Senior/innen im Rahmen einer Fallstudie in mehrtägigen Feldtests evaluiert. Zur weiteren Konkretisierung der Vision wurde ermittelt, wie sich ein Gesundheits-Roboter langfristig in Alltag und Tageslaufstrukturen älterer Menschen einfügen sollte. Die so entwickelten Personas wurden mittels Szenario-Technik zu drei normativen, narrativen Nutzungs-Szenarien verknüpft und abschließend durch Fachleute wie Laien diskutiert. Im Ergebnis konnten überindividuelle Anknüpfungspunkte zur bedarfsgerechten Gestaltung und Integration in Tagesverläufe identifiziert werden. Es zeigte sich, dass Gesundheits-Roboter mit Chancen für Gesundheit, gesellschaftliche Partizipation, interpersonale Kommunikation und einem konkreten Nutzen für die selbstständige Lebensführung, aber auch mit Risiken verknüpft werden.Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden mobile Service-Roboter, die ältere Menschen zukünftig dabei unterstützen sollen, möglichst lange selbstständig im eigenen Haushalt zu leben, als innovative Informations- und Kommunikationstechnologien insbesondere hinsichtlich Gesundheitskommunikation in den Blick genommen. Im Sinne eines nutzerzentrierten Entwurfs wurde ermittelt, welche Lösungen zur Gesundheitsförderung und Gesundheitsunterstützung, wie implementiert werden müssen, was die Zielgruppe angesichts noch fehlender Praxiserfahrung mit Robotern bisher nur bedingt angeben kann.Zunächst wurde eine in Entwicklung befindliche lauffähige Roboter-Plattform durch Senior/innen (n=9) im Rahmen einer Fallstudie in mehrtägigen Feldtests formativ evaluiert. So konnte ermittelt werden, wie die Mensch-Roboter-Interaktion eines Gesundheits-Roboters beschaffen sein muss, damit er effektiv, effizient und zufriedenstellend genutzt werden kann. Aussagen zur Nützlichkeit bestimmter Anwendungen für die Alltagsunterstützung waren aufgrund der begrenzten Testdauer (max. drei Tage) und des begrenzten Funktions-Umfangs allerdings limitiert. Um die Vision einer roboterunterstützten Gesundheits-Assistenz im hohen Alter weiter konkretisieren zu können, wurde im zweiten Schritt zunächst mittels einer qualitativen Interviewstudie (n=12) umfassende, detaillierte Informationen zu Alltag und v.a. Tageslaufstrukturen älterer Menschen erfasst und ermittelt, wie sich ein Gesundheits-Roboter langfristig darin einfügen sollte. Anhand der Ergebnisse konnten Personas entwickelt werden. Diese wurden mit Hilfe der Szenario-Technik im dritten Schritt systematisch mit dem aktuellen Forschungs- und Entwicklungsstand zu Gesundheits-Robotern zu drei normativen, narrativen Nutzungs-Szenarien verknüpft. Im abschließenden vierten Schritt wurden die Szenarien durch Fachleute wie Laien im Rahmen einer Interviewstudie diskutiert (n=12 Einzel- und Gruppeninterviews mit n=28 Befragungspersonen). Die Ergebnisse der vier Teilstudien zeigen, dass Gesundheits-Roboter mit Chancen für Gesundheit, gesellschaftliche Partizipation und interpersonale Kommunikation sowie einem konkreten Nutzen für die selbstständige Lebensführung, aber auch mit Risiken wie Datenschutzverletzungen, Kontroll- und Fähigkeitsverlusten verknüpft werden. Es konnten überindividuelle Anknüpfungspunkte identifiziert werden, um Roboter-Funktionen bedarfsgerecht gestalten und in individuelle Tagesverläufe integrieren zu können.This dissertation is concerned with mobile service robots for health assistance which should enable elderly people to remain independently in their own household for a longer period of time. Service robots are innovative information- and communication technology that might offer new prospects in the field of health communication. So far, there is a gap of experience. Focusing on a user-centered design, solutions have been found on how to implement health enhancing and supportive applications for the target group, as well as in terms of handling a robot on a daily-life basis. Firstly, a case study with senior citizens (n=9) was conducted wherein a robot-platform was evaluated during its developmental phase. This study helped to understand of which characteristics and elements a health-robot should be compounded of to be at its most effective, efficient and satisfactory for the seniors. However, findings concerning the question, if robotic applications can support the seniors’ daily-life routines, are limited, due to the limited time frame (of three days) during which the study was conducted.To further develop a concrete vision of how a robotic health-assistance is able to enhance an elderly’s life-quality, qualitative interviews have been conducted (n=12) in the second study. These served to collect detailed information on the daily-life routines of senior citizens, so as to design scenarios and personas on how to ideally include the health-robot in the care routine of an elderly in need, on a daily-basis. Afterwards, three normative, narrative user scenarios have been developed using the scenario-technique, combining the empirical findings with cutting-edge state of research (third study). Subsequent, these scenarios were discussed by experts and laymen during an interview-study (n=12 one-on-one and group interviews with n=28 persons). The results of the four studies show manifold options and chances of a service-robot, especially to support social participation and interpersonal communication as well as concerns and risks regarding violation of privacy or loss of control and capabilities. Connecting factors among the elderly could be identified to integrate the robot most effectively into their everyday-routines

Increasing User Motivation of a Mobile Health Application based on applying Operant Conditioning

In times of demographic change, especially in western countries, it’s getting more and more important to come up with cheap and efficient solutions to care for older people and their medical conditions. Now that smart phones are widely spread, they should be used to make life easier for their users. This characteristic can be achieved e.g. by developing mobile health applications for daily usage. In this bachelor thesis an approach is presented how the motivation of diabetes diseased people can be increased, to check for their own health, by applying concepts of operant conditioning. These concepts will be presented and how they result in a psychological impact on the user. Furthermore, an implementation of the designed concepts will be shown

IT für soziale Inklusion

Social Inclusion is a topic of growing importance in all walks of life. Their enforcement is often not possible without information technology. The book describes the state of research. However, the focus is on tools and applications from the areas of education, health, mobility, migration and others. Topics and authors come from the workshop of the same name, which the DFKI designed as part of the VISION SUMMIT 2016.Soziale Inklusion ist ein Thema mit wachsender Bedeutung in allen Gesellschaftsbereichen. Deren Durchsetzung ist ohne Informationstechnologie oftmals nicht möglich. Das Buch beschreibt den Stand der Forschung. Schwerpunkt sind aber Tools und Anwendungen aus den Bereichen Bildung, Gesundheit, Mobilität, Migration u.a.. Themen und Autoren stammen aus dem gleichnamigen Workshop, den das DFKI im Rahmen des VISION SUMMIT 2016 gestaltet hat

Aktives Altern im digitalen Zeitalter

Altersgerechte Assistenzsysteme leisten einen wichtigen Beitrag, die Lebensumgebung mit intelligenter Technik gesundheitsfördernder und selbstbestimmt zu gestalten. Diverse Sensoren, Geräte und Dienste (z.B. Sturzmeldesysteme, Exergames und Fitnessprogramme) sind heute verfügbar, jedoch steckt die Überprüfung der Wirksamkeit dieser Applikationen noch in den Kinderschuhen. Schlagworte wie „user-centered design“ hin zu einem „partizipatorischen Design“ beschreiben gerade den Umbruch, der in der App-Entwicklung vonstattengeht. Der vorliegende Open Access Sammelband enthält Ergebnisse aus empirischen Studien; aus der Sicht unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen wird das Thema erörtert. Dies ist ein Open-Access-Buch. Dies ist ein Open-Access-Buch

Systematik zur lösungsmusterbasierten Entwicklung von Frugal Innovations

Der wirtschaftliche Aufstieg von Schwellenländern führt zu neuen Massenmärkten, die preisgünstige und an die lokalen Bedürfnisse angepasste Marktleistungen und Geschäftsmodelle verlangen, so genannte Frugal Innovations. Bei der Entwicklung von Frugal Innovations stehen Entwickler häufig vor ähnlichen Herausforderungen, wie z.B. ein geringes Einkommen der Bevölkerung, schlechte Energie- und Transportinfrastruktur oder widrige klimatische Bedingungen. Es drängt sich die These auf, dass bei ähnlichen Herausforderungen auch ähnliche Lösungen angewendet werden. Durch eine Abstraktion der Lösungen zu Lösungsmustern könnten diese auf neu zu entwickelnde Marktleistungen und Geschäftsmodelle übertragen werden und so die Effektivität und Effizienz der Produktentstehung maßgeblich steigern. Die entwickelte Systematik greift diese These auf und zeigt, wie Lösungsmuster anhand von real existierenden Frugal Innovations abgeleitet, dokumentiert und analysiert werden können. Für die Integration der identifizierten Lösungsmuster in den Produktentstehungsprozess stellt die Systematik ein Vorgehensmodell bereit. Dieses unterstützt zusammen mit einer Lösungsmuster-Datenbank den Anwender bei der Auswahl und Anwendung geeigneter Lösungsmuster für eine gegebene Problemstellung. Die Validierung der Systematik anhand von telemedizinischen Assistenzsystemen zeigt den Nutzen von Lösungsmustern im Rahmen der Entwicklung von Frugal Innovations auf.The economic rise of emerging and developing markets induces a rapid growth of the global middle class. This new mass market demands products and services adapted to the needs of the local population - so called Frugal Innovations. Engineers often face similar challenges while developing these products: Low income of the population, poor energy and transportation infrastructure or adverse weather conditions. The hypothesis appears likely that similar challenges result in similar solutions. By the abstraction of these solutions to transferrable solution patterns, the efficacy and efficiency of the development process could be improved. The presented approach to a pattern based development of Frugal Innovations addresses this hypothesis. Based on existent Frugal Innovations patterns are identified, documented and analysed. The integration of the identified patterns in the strategic planning and product development process is guaranteed by a procedure model. In combination with a Frugal Innovation pattern database it supports the user by the selection and application of suitable patterns. The validation based on the example of telemedical assistant systems shows the benefit of the pattern based development of Frugal Innovations.von Dipl.-Wirt.-Ing. Anne-Christin Lehner ; Referent: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier, Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Udo LindemannTag der Verteidigung: 23.08.2016Fakultät für Maschinenbau der Universität Paderborn, Univ., Dissertation, 201

Qualitative Synthese im Kontext einer Meta-Ethnographie - Patientenzentrierte Sichtweise von App-basierten Interventionen bei Depression und Angst

Depression und Angst – zwei eng miteinander assoziierte Krankheitsbilder, die eine steigende Prävalenz in der Bevölkerung aufweisen. Die zunehmende Erkrankungshäufigkeit wirft Versorgungsengpässe auf, die eine Erweiterung bisheriger Therapieansätze erfordern, denn die Nicht-Behandlung der Betroffenen steigert das Risiko der Chronifizierung oder des rezidivierenden Krankheitsverlaufs. Eine innovative Therapiemöglichkeit, die eine langfristige und kontinuierliche Begleitung der Patienten ermöglicht, stellen Mental Health Apps dar. Im Rahmen dieser Synthesearbeit wird das Meinungsbild von App-Nutzern erfasst, um darauf aufbauend Empfehlungen für eine bedürfnisadaptierte App-Entwicklung und einen patientenorientierten App-Einsatz zu erarbeiten. Dies geschieht mittels Meta-Ethnographie, die um verschiedene andere Modelle, teilweise in modifizierter Form, erweitert wurde. Integriert werden unter anderem das ENTREQ – Statement, eine Zusammenführung des SPICE – und SPIDER – Modells, das eMERGe.Project, das CASP – Schema, das PRISMA – Statement und Anteile der Thematischen Synthese. Die Literaturrecherche umfasst die Datenbanken PubMed (MEDLINE), PsycINFO, Web of Science (SSCI), CINAHL, SCOPUS, CENTRAL, Google Scholar, sowie die Durchsicht von Journals, Aufzählungen und Verlinkungen. Anhand der Ein- und Ausschlusskriterien können sechs geeignete Primärstudien ermittelt werden. Die weiterführende Verarbeitung, der in den Primärstudien erwähnten Konzepte, grenzt sieben wiederkehrende Kernthemen ab: Eigenengagement des Patienten, Therapeutisches Konzept der App, Therapeutische Allianz mit dem Behandler, Präsentation der App, Charakteris-tika App-basierter Behandlung, Aspekte, die eine Therapie behindern, sowie Wünsche und Anliegen der Patienten. Aufbauend auf diesen Themen findet eine Weiterentwicklung der Synthese statt, die in einer Grafik zusammengefasst wird und Kausalitätsketten aufzeigt. Das entscheidende Therapieelement ist das Eigenengagement des Patienten, das durch intra- und interpersonelle Faktoren modifiziert wird. Die Persönlichkeit des Einzelnen ist daher differenziert zu erfassen, um die App-Auswahl und das Therapie-konzept individuell abzustimmen. Insgesamt wird eine therapeutische App mehrheitlich befürwortet, sofern diese als Ergänzung zur herkömmlichen Therapie der Depression und Angst verwendet wird. Der geforderten Individualität und Autonomie des Patienten stehen eine zeitgleich gewünschte klare Behandlungsleitlinie und Führung durch den Behandler gegenüber. Diese und weitere Disparitäten zielführend zu lösen, ist eine Herausforderung im Zuge der App-Implementierung. Das Beziehungskonstrukt des therapeutischen Settings zwischen Patient, Behandler, App und App-Entwickler wird abschließend in Form einer die Kernthemen übergreifenden Diskussion und Grafik herausgearbeitet