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Advanced sensor fusion methods with applications to localization and navigation
(2025-03-18) Fetzer, Toni
We use sensors to track how many steps we take during the day or how well we sleep. Sensor fusion methods are used to draw these conclusions. A particularly difficult application is indoor localization, i.e. finding a person’s position within a building. This is mainly due to the many degrees of freedom of human movement and the physical properties of sensors inside buildings. Suitable approaches for sensor fusion for the purpose of self-localization using a smartphone are the subject of this thesis. To best address the complexity of this problem, a non-linear and non-Gaussian distributed state space must be assumed. For the required position estimation, we therefore focus on the class of particle filters and build a novel generic filter framework on top of it. The special feature of this framework is the modular approach and the low requirements towards the sensor and movement models. In this work, we investigate models for Wi-Fi and Bluetooth RSSI measurements using radio propagation models, the relatively new standard Wi-Fi FTM, which is explicitly designed for localization purposes, the barometer to determine floor changes as accurately as possible, and activity recognition to find out what the pedestrian is doing, e.g., ascending stairs. The human motion is then modeled in a movement model using IMU data. Here we propose two approaches: a regular tessellated grid graph and an irregular tessellated navigation mesh. From these we formulate our proposal for an indoor localization system (ILS). However, some fundamental problems of the particle filter lead to critical errors. These can be a multi- modal density to be estimated, unbalanced sensor models or the so-called sample impoverish- ment. Compensation, or in the best case elimination, of these errors by advanced sensor fusion methods is the main contribution of this thesis. The most important approach in this context is our adaptation of an interacting multiple modal particle filter (IMMPF) to the requirements of indoor localization. This results in a completely new approach to the formulation of an ILS. Using quality metrics, it is possible to dynamically switch between arbitrarily formulated par- ticle filters running in parallel. Furthermore, we explicitly propose several approaches from the field of particle distribution optimization (PDO) to avoid the sample impoverishment problem. In particular, the support filter approach (SFA), which is also based on the IMMPF principle, leads to excellent position estimates even under the most difficult conditions, as extensive ex- periments show.
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Langfristige Einstellung der modifizierbaren kardiovaskulären Risikofaktoren und unerwünschte Ereignisse bei jungen Patientinnen und Patienten mit Myokardinfarkt
(2025) Kerniss, Hatim
Bei jungen Patienten (≤ 45 Jahre) mit Myokardinfarkt zeigt sich, dass die langfristige Kontrolle kardiovaskulärer Risikofaktoren oft unzureichend ist. In einer Analyse von Patienten, die zwischen 2015 und 2021 im überregionalen Herzzentrum Bremen stationär aufgenommen wurden, wurden Risikofaktoren sowohl zum Zeitpunkt des MI als auch nach einem Jahr bewertet. Dabei stellte sich fest, dass ein erheblicher Anteil der Patienten trotz eventueller Therapie weiterhin rauchte und körperlich inaktiv blieb. Zudem nahmen Adipositas, Dysglykämie und Diabetes mellitus signifikant zu, was sich in unzureichenden HbA1c-Werten und dem Nichterreichen der Lipidziele widerspiegelte. Über eine mittlere Nachbeobachtungsdauer von 49 Monaten traten unerwünschte kardiale und zerebrovaskuläre Ereignisse (MACCE) in 20 % der Fälle auf. In der multivariablen Analyse erwiesen sich insbesondere fortgesetztes Rauchen und körperliche Inaktivität als signifikante Prädiktoren für MACCE. Die Studie verdeutlicht somit den dringenden Bedarf an effektiveren Strategien der Sekundärprävention in dieser jungen Patientengruppe.
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Aparecium: Revealing the role of the zona incerta in central thyroid hormone action
(2025) Maier, Julia
The importance of thyroid hormones (THs) for regulation of body temperature and energy metabolism as well as brain functions such as mood is well established. This is most evident in hypo- or hyperthyroidism, which have severe consequences on these parameters. THs exert their effects via thyroid hormone receptors α (TRα) and β (TRβ). Similar to altered ligand availability, mutations in these receptors lead to several deficits, such as defaults in neuronal development and regulation of body temperature, as well as psychomotor alterations. However, it often remains unknown whether defects are caused by TH actions directly on tissue level or centrally in the brain, and in the latter case, which brain regions mediate the central effects of THs. To address this question, PET/CT scans of mice undergoing treatment with T3 were conducted and showed activation of the Zona Incerta (ZI), a region of the subthalamus, indicating its role in mediating effects of THs. To further investigate the effect of THs in the ZI, TH signalling was inhibited by introducing a dominant-negative TRα1 via adeno-associated virus (AAV) injection into the ZI. In a separate set up, inhibition was specific to dopaminergic neurons by injecting the AAVs into tyrosine hydroxylase-Cre mice. Analysing these mice revealed that inhibited TH signalling in the ZI caused an increase in basal metabolic rate (BMR) with increased fasting weight loss without affecting body temperature. In addition, it resulted in a chronic stress-like state, in which serum corticosterone was elevated, and a partial anxiety phenotype was present, as habituation to stressful situations was impaired. However, none of these effects were observed in the conditional model, demonstrating that they were not mediated by dopaminergic neurons. Taken together, the study identifies a new brain region for central actions of THs, the ZI, and implicate it as a key brain region in TH-meditated control of behaviour and energy metabolism.
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Gene-environment modifiers in Parkinson's disease
(2025) Gabbert, Carolin
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Integrating humans and artificial intelligence in diagnostic tasks
(2025) Schrills, Tim Philipp Peter
This dissertation investigates the integration of humans and artificial intelligence (AI) in diagnostic tasks, focusing on user experience and interaction in explainable AI (XAI) systems. Central to this research is the development of the Subjective Information Processing Awareness (SIPA) concept, which deal with user experience in automated information processing. The work addresses the increasing reliance on AI for automating information processing in critical domains such as healthcare, where transparency and human oversight may be enabled through explainable systems. Drawing on theories of human-automation interaction, this research develops and validates a model of integrated human-AI information processing. Four empirical studies explore automation-related user experience in different contexts: digital contact tracing, automated insulin delivery, AI-supported pattern recognition, and AI-based diagnosis. The findings highlight the psychological impacts of AI explanations on trust, situation awareness, and decision-making. Based on empirical findings, this dissertation discusses the concept of diagnosticity as a central metric for successful human-AI integration and proposes a framework for designing XAI systems that enhance user experience by aligning with human information processing. The dissertation concludes with practical guidelines for developing human-centered AI systems, emphasizing the importance of SIPA, user awareness, system transparency, and maintaining human control in automated diagnostic processes.
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Funktionelle Aktivierungsmuster des Kleinhirns im Krankheitsbild des essentiellen Tremors
(2025) Rodax, Lukas
Bis heute ist die Pathophysiologie des Krankheitsbildes des essentiellen Tremors nur unzureichend geklärt. Im Rahmen der von uns durchgeführten Studie gingen wir der Frage nach, ob Aktivierungsdifferenzen im Bereich des Kleinhirns (= Cerebellum) zwischen gesunden und erkrankten Personen detektierbar sind bzw. welche Areale als Auslöser der Erkrankung in Frage kommen. Wir führten eine fMRT-Studie mit 13 ET-erkrankten Personen und 15 Kontrollpersonen durch. Es handelt sich um eine Fall-Kontroll-Studie. Aus Gründen der Standardisierung pausierten alle Teilnehmer*innen die Einnahme von Tremor-unterdrückenden Medikamenten bzw. Substanzen im Rahmen der Studie. Nach ordnungsgemäßer Aufklärung der Teilnehmer*innen über die Studieninhalte erfolgte die Erhebung eines Tremor-Scores (TETRAS) der erkrankten Personen zur Verifizierung der Diagnose sowie zur Quantifizierung der Krankheitsausprägung. Anschließend erfolgten fMRT-Messungen, bei welchen alle Teilnehmer*innen wiederholt dazu aufgefordert wurden, eine visuell-koordinierte Zielbewegung mit dem rechten Arm bzw. der rechten Hand durchzuführen. Die Netzwerkanalysen zeigten das typische Muster einer Hirnaktivierung bei motorischer Aktivität, welche an einen visuellen Stimulus gekoppelt ist. Im Rahmen der Subtraktionsanalysen zeigten sich signifikante cerebelläre Minderaktivierungen seitens der Patient*innen im Bereich der Lobuli III-IV, VI, VII, VIII und in den Bereichen Crus I und Crus II der rechten Seite (ipsilateral der Händigkeit). Im Gegensatz hierzu konnten wir wenige, kleinflächige Mehraktivierungen in den Frontallappen der erkrankten Personen sehen. Ein Vergleich mit vorangegangenen Studien ist aufgrund der geringen Studien- und Fallzahlen sowie unterschiedlichen Studiendesigns nur erschwert möglich. Dennoch werden die von uns dargestellten Ergebnisse durch vorangegangene Studien untermauert. Wir vermuten, dass die genannten minderaktivierten cerebellären Areale maßgeblich am pathophysiologischen Prozess des essentiellen Tremors beteiligt sind.
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Comparative analysis of host response in tuberculosis across species
(2024-10-24) Tijani, Hawanot Olaitan
In tuberculosis (TB) studies, the extent to which host genome as well as transcriptome contribute to susceptibility and pathology has not been clearly defined. Globally still one of the most abundant infectious disease, numbers of TB cases caused by drug resistant agents of the Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) complex are increasing especially with onset of emerging and re-emerging viral diseases and other comorbidities. Our study aims to identify host specific differences in TB disease susceptibility and pathogenesis. Previously, we and others have demonstrated the detrimental role of neutrophils in necrosis, tissue damage and bacterial spread. We hypothesized that cell death modalities during the interaction of neutrophils and other myeloid cells in the lung determines pathogen restriction or spread and ultimately, disease exacerbation. We therefore designed an integrative systems biology approach from genome to cellular, tissue and animal model to better understand TB in vitro and in vivo. Inbred female congenic mice differing in their susceptibility to M. tuberculosis infection were studied before, during and after infection and compared to human leukocytes and RNA samples from excised lung tissue. Murine bone marrow derived macrophages from wild-type B6 in comparison to susceptible C3HeBFeJ and B6.C3Hsst1 mice showed differential responses to M. tuberculosis. Upon aerosol infection with M. tuberculosis, immune-competent but susceptible B6.I-9.3.19.8 and B6.C3Hsst1 had bigger lung lesions and higher bacterial loads than resistant B6 mice. Immune cell phenotyping of murine lung samples characterized by flow cytometry and immunohistochemistry revealed distinct composition of immune cells between susceptible and resistant mouse strains. Importantly, human PMN and PBMCs showed infection specific transcriptional profiles in vitro skewed towards active phagocytosis. Comparative analyses of both murine and human transcriptome identified unique genes for each data set and shared genes across the samples. Taken together, our findings will contribute to better understand TB disease processes in order to break disease transmission, reducing bacterial burden in active TB patients, shortening treatment duration, and eventually preventing disease development in latent TB cases.
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Multidrug resistance, population structure, and epidemiology of Mycobacterium tuberculosis complex strains from West Africa
(2025-02-25) Blankson, Harriet Naa Afia
Tuberculosis (TB) remains a global public health challenge, impacting millions of individuals and placing a substantial burden on healthcare systems worldwide. The causative agents of TB, Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) strains, engage in a complex interplay of factors that influence its transmission, evolution, and the emergence of drug-resistant strains. Despite commendable progress in TB control efforts, the persistent threat of multidrug-resistant TB(MDR-TB), characterized by resistance to both isoniazid (INH) and rifampicin (RIF), has significantly complicated treatment protocols. Recent recommendations by the World Health Organization (WHO) advocate for a new all-oral 6-month regimen to address MDR-TB. However, concerns arise with the development of resistance to fluoroquinolones (FQs) and bedaquiline (BDQ), potentially jeopardizing the regimen's efficacy. Documented outbreaks of MTBC strains, particularly of MDR strains, underscore the urgency of monitoring the transmission of MTBC strains, as it can impact diagnostics and treatment strategies in affected regions. Specific strains within MTBC lineages may exhibit unique traits, such as varying minimum inhibitory concentrations (MIC) or inherent resistance to specific drugs. Understanding the circulating MTBC strains in a country, their drug resistance profiles, and their evolutionary dynamics is imperative for effective TB management. To close these knowledge gaps, this thesis seeks to explore the multifaceted landscape of TB through epidemiological, molecular, and clinical perspectives. The research aims to unravel the genomic intricacies of MTBC strains, by investigating the transmission dynamics of rifampicin-resistant (RR)/MDR-TB in Sierra Leone and exploring the transmission dynamics and drug resistance patterns of the sublineage 4.6.2.2 Cameroon. By shedding light on these aspects, this thesis seeks to contribute to enhanced diagnostics and more effective treatment strategies and ultimately support the global mission to eradicate TB. In the study on RR/MDR-TB in Sierra Leone, whole genome sequencing (WGS) revealed high levels of drug resistance, with one in four strains being resistant to all first-line anti-TB drugs. While no FQ resistance was detected, five strains exhibited resistance to BDQ/clofazimine (CFZ) due to mutations in the Rv0678 gene. The study also revealed a greater diversity of drug resistance mutations, including borderline INH and RIF resistance mutations, which can potentially influence treatment options. The high cluster rate of over 40% indicated ongoing transmission of RR/MDR-TB strains, contributing to the burden of RR/MDR-TB in the country. Analysis of the 238 MTBC strains revealed a high diversity of strains in Sierra Leone. The presence of six major lineages (L) of MTBC strains (L1= 4%, L2 = 9%, L3= 0.8%, L4= 62%, L5= 2.9% and L6= 21%) were identified in Sierra Leone. Mycobacterium tuberculosis (Mtb) strains constitute 56%, while Mycobacterium africanum (Maf) L6 strains, account for 21% of MDR MTBC strains, which suggest a longitudinal outbreak with specific branches exhibiting resistance to multiple drugs, including BDQ/CFZ. Despite the high diversity, strains of certain sublineages 4.1.2.1. Haarlem, 4.8 mainly T and 2.2.1 Beijing Ancestral 3 and 6.3.3 West Africa 2 were implicated in the ongoing MDR transmissions. The global population structure and phylogeography of strains of the Cameroon sublineage were also investigated using WGS. The strains were classified into eight distinct clades, with strains originating from 24 countries across Africa, Asia, Australia, and Europe. A fourth of the strains were identified as transmission strains. The strains of two clades, C.5 and C.8, exhibited high clustering rates, indicating higher transmission potential. Drug resistance was also observed, with over 10% of the strains classified as MDR. The strains remained susceptible to BDQ/CFZ, except for two strains displaying resistance. Overall, these findings contribute to a comprehensive understanding of the transmission dynamics and drug resistance patterns of MTBC strains in Sierra Leone and the sublineage 4.6.2.2 Cameroon. The clades of strains that were defined, clusters, and global distribution emphasize the role of migration in the spread of these strains locally and beyond Africa. The insights gained from this research can inform and improve TB surveillance and control measures, both within Sierra Leone, West Africa, and in other parts of the world where the Cameroon sublineage strains have been identified.
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Motorisches Lernen in Patient*innen mit Cervicaler Dystonie
(2025) Herrmann, Vera-Maria
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MicroRNAs als potenzielle Biomarker für Chemoresistenz in Adenokarzinomen des ösophagogastralen Übergangs
(2025) Block, Christina
Bei Adenokarzinomen des ösophagogastralen Übergangs (AEG) wird regelmäßig eine neoadjuvante Chemotherapie durchgeführt. Allerdings ist das Ansprechen der Patienten sehr unterschiedlich, wobei einige Fälle keine therapeutische Wirkung zeigen und als chemoresistent eingestuft werden. Kleine, nicht-kodierende RNAs (miRNAs) haben sich als Schlüsselakteure in biologischen Prozessen, einschließlich bösartiger Erkrankungen, herausgestellt. Darüber hinaus wurden spezifische miRNAs identifiziert, die durch Umgehung vom Apoptose, durch Zellzyklusveränderungen oder Modifikation von Wirkstoffzielen mit der Entwicklung von Chemoresistenzen in Verbindung gebracht wurden. Wir führten eine retrospektive Studie mit 33 Patienten durch, die eine neoadjuvante Chemotherapie erhielten, indem wir ihre miRNA-Expressionsprofile maßen. Die histologische Tumorregression wurde anhand von Resektionsproben bewertet, während miRNA-Profile mittels präoperativer Biopsien, ohne vorherige Therapie, erstellt wurden. Ein vorausgewähltes Panel von 96 miRNAs, von denen bekannt ist, dass sie bei verschiedenen Malignomen von Bedeutung sind, wurde verwendet, um signifikante Unterschiede zwischen responsiven (chemosensitiven) und nicht responsiven (chemoresistenten) Fällen zu testen. Die Kohorte bestand aus 12 nicht responsiven und 21 responsiven Fällen mit den folgenden 4 miRNAs, die zwischen beiden Gruppen unterschiedlich exprimiert wurden: has-let-7f-5p, has-miRNA-221-3p, has-miRNA-31-5p und has-miRNA-191-5p. Die ersteren 3 zeigten eine Hochregulation in chemoresistenten Fällen, während letztere eine Hochregulation in chemosensitiven Fällen zeigte. Darüber hinaus konnte eine signifikante Korrelation zwischen einer hohen Expression von has-miRNA-194-5p und einem verlängerten Überleben nachgewiesen werden (p-Wert <0,0001). Zusammenfassend konnten wir ein Panel von 3 miRNAs identifizieren, die eine Chemoresistenz vorhersagen, und eine einzelne miRNA, die zur Chemosensitivität beiträgt. Diese miRNAs könnten als prognostische Biomarker fungieren und es ermöglichen das Ansprechen neoadjuvanter Therapien bei Patienten besser vorherzusagen.
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Funktionale Aspekte der DIEP-Lappenplastik in einem postoperativen Zeitraum von 10 Jahren
(2025) Langer, Jan Vincent
Die DIEP-Lappenplastik stellt den derzeitigen Goldstandard der autologen Brustrekonstruktion mit einer Lappengewinnung vom unteren Abdomen dar und wird in Deutschland zunehmend angewendet. Über die langfristigen postoperativen Folgen für die Patientin ist wenig publiziert, insbesondere über die Alltags-Funktionalität. Für die informierte Entscheidung der Patientin zu einer Operation mit Lappenentnahme an einer zuvor nicht erkrankten Körperregion sollten diese jedoch berücksichtigt werden. Methodik: Um das postoperative Langzeitbild weiter zu vervollständigen, wurden unizentrisch 155 unilaterale und 24 bilateral rekonstruierten Patientinnen mit insgesamt 203 DIEP-Lappenplastiken zwischen einem und zehn Jahren nach der Operation einmalig hinsichtlich ihrer derzeitigen Situation befragt sowie körperlich untersucht. Der Schwerpunkt der Befragung mittels BREAST-Q Fragebogen und einem eigenem Fragenkatalog war die Funktionalität der Patientin im alltäglichen Leben sowie ihr Schmerzempfinden. Zur Objektivierung der körperlichen Funktion wurde die Bauchwandstabilität mithilfe des Manual Muscle Function Test Abdomen (MMFT) erhoben. Ergebnisse: Die gemessenen MMFT-Scores nach durchschnittlich 5 ±2,7 Jahren postoperativ waren nah an den maximal möglichen Scores mit 4,6 ±0,9 von 5 für die Oberbauchfunktion, 4,5 ±0,9 von 5 für die Unterbauchfunktion sowie 6,9 ±0,5 von 7 für die Gesamtfunktion. Als negativ beeinflussende Faktoren konnten Adipositas und Schmerzen im Abdomen identifiziert werden, ein Unterschied zwischen Patientinnen zu verschiedenen postoperativen Zeitpunkten bestand nicht. In der Jahrgangsgruppe 7-10 Jahre postoperativ hatten dagegen signifikant weniger Patientinnen Schmerzen in der Brust (26%) und am Abdomen (10%) als in der Gruppe 1-3 Jahre postoperativ (56% und 43%). Die meisten Patientinnen waren nach der Rekonstruktion für ein bis drei Monate im alltäglichen Leben eingeschränkt. 10% waren jedoch noch nach knapp 60 Monaten bei alltäglichen Bewegungen beeinträchtigt. Eine verlängerte Beeinträchtigung ging mit signifikant niedrigeren BREASTQ Physical Well-Being Abdomen und Chest Scores einher, nicht jedoch mit verringerten klinisch messbaren MMFT-Scores. Eine verlängerte Beeinträchtigung im Alltag sowie Langzeitschmerzen senkten die Zufriedenheit mit dem Ergebnis im BREAST-Q Satisfaction with Breast signifikant. Conclusio: Für die meisten Patientinnen ist durch eine DIEP-Rekonstruktion nicht mit langfristigen Einschränkungen zu rechnen. Dennoch zeigte ein geringer Anteil Patientinnen funktionelle Beeinträchtigungen, die sich auch negativ auf die Zufriedenheit mit dem Ergebnis auswirkten. Diese scheinen zum Teil unter der klinisch messbaren Schwelle zu liegen und komplexerer Ursache als reine muskuläre Funktion, worauf die erniedrigten BREAST-Q Scores hindeuten. Die langfristige Erhebung von Patient Reported Outcome kann wertvolle Informationen für die präoperative Aufklärung und Risikoabschätzung beitragen.
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