Photo by ©FAU/Erich Malter

OPEN FAU

Online publication system of Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

The online publication system OPEN FAU is the central publication platform for Open Access publishing for all members of Friedrich-Alexander-Universität. Qualified works from research and teaching may be published here free of charge, either as a primary or secondary publication. The full texts are permanently available worldwide and are findable and citable via catalogues and search engines.


To search for documents in OPEN FAU, please select "Search" (via the magnifying glass at the top right); this will provide you with various search options. If you want to publish a document, go to "Login" and "My Publications". Then drag you document into the field provided and enter the metadata. In just a few steps, you can submit your document. Please note our guidelines, the publication contract and FAQs.

 

Recent Submissions

Doctoral thesis
Open Access
Evidenzbasierte Medizin als Methode der klinischen Entscheidungsfindung: Implementierung in Lehre und Praxis
(2024) Zeschick, Nikoletta; Kühlein, Thomas
Hintergrund und Ziele: Evidenzbasierte Medizin (EbM) integriert aktuelle Evidenz, Patient*innenwünsche und klinische Expertise bei Entscheidungen für individuelle Patient*innen. Systeme zur Förderung evidenzbasierter Entscheidungen sind wichtig. Ein Beispiel ist die „Wirkstoffvereinbarung“ (WSV) in Bayern. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Schulung zukünftiger Ärzt*innen. EbM wird am Allgemeinmedizinischen Institut der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg seit dem Wintersemester 2018/19 unterrichtet. Das Seminar kombinierte zunächst Präsenzveranstaltungen mit digitalen Lerneinheiten im sog. Blended-Learning-Konzept. Diese Promotionsarbeit untersucht EbM als Methode in verschiedenen Kontexten: Wie nutzen Hausärzt*innen (HÄ) in Bayern die WSV und indirekt EbM bei Medikamentenverschreibungen (Publikation 1)? Wie beeinflussen Persönlichkeitseigenschaften und Kompetenzen von Medizinstudierenden die EbM-Lernprozesse (Publikation 2)? Was sind die Chancen und Herausforderungen der online-basierten Lehre in der Allgemeinmedizin (Publikationen 3 und 4)? Methoden: Publikation 1: Im Zeitraum von November 2019 bis März 2020 wurden 18 halbstrukturierte Einzelinterviews und zwei Fokusgruppen (n = 10) mit bayerischen HÄ durchgeführt. Die Auswertung erfolgte mithilfe der qualitativen Inhaltsanalyse nach Mayring. Publikation 2: Es wurde eine längsschnittliche Fragebogenstudie mit Studierenden des EbM-Wahlfachs angelegt. Die ersten zehn Studierenden des Wahlfachs wurden im Sommersemester 2019 als Pilotstudie vor (t0) und nach Kursteilnahme (t1) befragt. Publikationen 3 und 4: Die online-basierte Vorlesung „Allgemeinmedizin“ wurde mittels einer Fragebogenstudie evaluiert. Im Sommersemester 2020 nahmen n = 115 Studierende an der Lehrevaluation teil und n = 199 im Wintersemester 2020/2021 und Sommersemester 2021. Ergebnisse: Publikation 1: HÄ betonen fachliche Richtigkeit und patient*innenorientierte Versorgung über Wirtschaftlichkeit im Rahmen der WSV bei Therapieentscheidungen. Verständnisprobleme bezüglich der WSV existieren, da häufig angenommen wird, dass die Medikamentenempfehlungen primär aus ökonomischen Überlegungen resultieren. Publikation 2: Die ersten Testergebnisse des Schnelltests Risikokompetenz (t0) lagen zwischen 50% und 90% und zu t1 zwischen 60% und 100%. Die Studierenden zeigten zu beiden Messzeitpunkten ein hohes Kognitionsbedürfnis (X̅ = 4,6, SD = 0,52, X̅t0−t1 = 0,1). Publikation 3: Die online-basierte Vorlesung Allgemeinmedizin wurde von den Studierenden als „sehr gut“ bewertet, wobei kommentierte Videos als besonders hilfreich erachtet wurden („sehr gut“). Publikation 4: Nach drei Semestern Online-Lehre wurden die digitalen Methoden als geeignet für das Selbststudium angesehen (X̅ = 1.18, SD = .50). Gewünschte künftige Lehrformate waren Blended-Learning-Konzepte (79.4%). Kritisiert wurde der hohe Zeitaufwand der Online-Lehre. Schlussfolgerungen und Diskussion: Publikation 1 zeigt, dass HÄ ein besseres EbM-Verständnis benötigen, um Regelungen wie die WSV besser zu akzeptieren. Publikation 2 zeigt, dass insbesondere Studierende mit einem hohen Kognitionsbedürfnis Interesse am Wahlfach EbM hatten. Es bedarf weiterer Studien, um die Studierendengruppe mit den anderen Medizinstudierenden zu vergleichen. Inhaltlich sollte der Schwerpunkt auf der Vermittlung notwendiger Kompetenzen liegen, um Evidenz kritisch bewerten zu können. Die Publikationen 3 und 4 zeigen, dass die Vermittlung von medizinischen Inhalten im Online-Format möglich und effektiv ist. Die Publikationen unterstreichen die Sinnhaftigkeit zukünftiger Blended-Learning-Konzepte. Ein geringerer Zeitaufwand und mehr praxisorientierte Themen sind dabei wünschenswert.
Doctoral thesis
Open Access
The Continuous Stochastic Gradient Method
(2024) Uihlein, Andrian; Stingl, Michael
We consider a class of optimization problems in which the objective function requires the computation of an expected value of a hard to evaluate property. Such structures arise in probabilistic settings, e.g., expected values in optimization under uncertainty, as well as fully deterministic contexts, e.g., optimizing a design for a (possibly infinite) set of scenarios. Therefore, both stochastic and deterministic optimization schemes have been considered to solve such problems. The latter typically rely on a fixed quadrature rule to approximate all appearing integrals numerically. As a result, the associated computational cost may render such approaches numerically infeasible in complex settings. Moreover, discretization can lead to artificial local solutions emerging in the problem, if the corresponding quadrature rule is not chosen carefully. Contrary, stochastic sample based methods do not suffer from this problem and provide a computationally cheap alternative. However, these schemes are typically limited to objective functions of very simple structure, i.e., minimizing an expected value. Settings in which the objective consists of several integrals, possibly coupled by nonlinear functions, are beyond the scope of such techniques. In this work, we consider continuous stochastic optimization approaches, specifically, a continuous stochastic gradient (CSG) scheme. To keep the numerical effort per iteration low, these methods also rely on random gradient samples instead of full integrals. However, unlike traditional stochastic sample based strategies, the gradient information is stored over the course of iterations. Thus, by calculating suitable design dependent integration weights, a convex combination of old gradient samples is used to build an approximation to the full gradient. We show that the approximation error almost surely converges to zero during the optimization process. As a result, we prove that CSG admits the same convergence results as a full gradient scheme, i.e., convergence for constant step sizes and line search techniques based on the continuous stochastic approximations. Moreover, it means that CSG is not restricted to the minimization of simple expected values and can instead deal with arbitrary combinations of integrals and Lipschitz continuous functions in the objective. In this sense, CSG can be considered as a hybrid of stochastic gradient methods and a classical gradient descent scheme. Several methods to obtain the aforementioned integration weights in practice are presented and discussed. Furthermore, we provide a full theoretical convergence analysis of CSG and perform numerical experiments, covering all important aspects of continuous stochastic optimization methods. For several large scale applications from the field of topology optimization, the proposed schemes are compared to different optimization techniques known from literature.
Doctoral thesis
Open Access
Prospektive Analyse der Handkraft bei häufigen Erkrankungen der Hand mittels novel manugraphy® Systems
(2024-02-09) Pingel, Isabel; Arkudas, Andreas
Hintergrund und Ziele: Karpaltunnelsyndrom, A1-Ringbandstenose und Morbus Dupuytren gehören zu den häufigsten Erkrankungen der Hand, bei denen eine Therapieoption mittels chirurgischer Intervention besteht. Das Ziel der Studie ist der Vergleich von Handkraftwerten bei Patienten mit A1-Ringbandstenose, Karpaltunnelsyndrom (KTS) und Morbus Dupuytren im zeitlichen Verlauf und im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe sowie zur gesunden Gegenseite. Langfristiges Ziel ist es, krankheitsspezifische Funktionseinschränkungen zu ermitteln und den Operationserfolg zu bemessen. Methoden: Handkraftmessungen wurden an 40 gesunden Probanden, 9 Probanden mit Karpaltunnelsyndrom, 12 Probanden mit A1-Ringbandstenose und 7 Probanden mit Morbus Dupuytren durchgeführt. Die Messung der Handkraft erfolgte hierbei mit zwei zylindrisch geformten Messzylindern des novel manugraphy® Systems mit einem Umfang von 214 mm und 160 mm, die der entsprechenden Handgröße der Probanden zugeordnet wurden. Es wurden maximale und mittlere Handkraftwerte der gesamten Hand, sowie einzelne prozentuale Handkraftwerte der jeweiligen Finger, des Thenars, des Hypothenars und der Handfläche ermittelt. Die Datenerhebung des gesunden Probandenkollektivs erfolgte im Querschnitt. Die Kraftmessungen der restlichen Probanden erfolgte an insgesamt vier Untersuchungszeitpunkten, wovon der erste Untersuchungszeitpunkt präoperativ, die weiteren nach 6 Wochen postoperativ, 6 Monaten postoperativ und 1 Jahr postoperativ stattfanden. Die funktionellen Einschränkungen wurden bei allen Probanden mit Hilfe des DASH Fragebogens ermittelt. Bei Patienten mit Karpaltunnelsyndrom wurde zusätzlich der Levine Score und die 2-Punkt-Diskrimination bestimmt, bei Patienten mit Morbus Dupuytren erfolgte die Bestimmung des Streckdefizites des betroffenen Strahls. Ergebnisse: Die prozentuale Handkraftverteilung der dominanten und nicht-dominanten Hand gesunder Probanden unterscheidet sich, wobei für die dominante Handseite im Vergleich zur nicht-dominanten Seite geringere Kraftwerte für Daumen und Handfläche, sowie höhere prozentuale Kraftwerte für Ringfinger und kleinem Finger festgestellt werden konnten. Im Probandenkollektiv der A1-Ringbandstenose zeigte sich eine signifikante Zunahme der Handkraft 6 Monate und 1 Jahr postoperativ. Hierbei zeigte sich auch ein indirektes Angleichen der Handkraftwerte an das Handkraftniveau des gesunden Probandenkollektivs. Eine signifikante Veränderung der postoperativen Handkraftwerte konnte für die Probanden mit Karpaltunnelsyndrom und Morbus Dupuytren nicht ermittelt werden. Jedoch zeigte sich eine tendenzielle Zunahme der prozentualen Kraft des Thenars bei Probanden mit Karpaltunnelsyndrom, sowie des betroffenen Fingers bei A1-Ringbandstenose. Der DASH-Score war in allen Probandenkollektiven 1 Jahr postoperativ deutlich rückläufig im Vergleich zum präoperativen Ausgangswert. Für Patienten mit Morbus Dupuytren konnte eine signifikante Abnahme des Streckdefizites nach 6 Monaten beobachtet werden. Schlussfolgerung und Diskussion: Die operative Therapie bei Karpaltunnelsyndrom, A1-Ringbandstenose und Morbus Dupuytren ist ein geeignetes Verfahren, um eine deutliche Beschwerdereduktion und eine verbesserte funktionelle Einsetzbarkeit der Hand zu erzielen. Bei Patienten mit A1-Ringbandstenose führt ein operativer Eingriff ebenso zu einer Verbesserung der Handkraft. Der Einsatz von Handkraftmessungen zur Bemessung des Therapieerfolges scheint hierbei sinnvoll zu sein. Die tendenzielle, postoperative Zunahme der prozentualen Kraftanteile des Thenars bei Probanden mit KTS, sowie des betroffenen Fingers bei A1-Ringbandstenose lassen vermuten, dass eine Detektion einer spezifischen funktionellen Einschränkung einzelner Handbereiche möglich sein könnte. Die Handkraftverteilungsmuster werden dabei sowohl von der Zylindergröße als auch der erzielten Gesamtkraft beeinflusst. Um spezifische Funktionseinschränkungen besser verifizieren zu können, wäre ein größeres Probandenkollektiv notwendig.
Doctoral thesis
Open Access
Investigation of drying and inactivation of bakers yeast in fluidized beds operated at reduced pressures
(2024) Zarekar, Sayali; Bück, Andreas
Fluidized bed drying is an established process in the commercial production of granular solid materials as it offers high heat and mass transfer rates. In the processing of thermo-sensitive products in the pharmaceutical or food industry, undesired inactivation or thermal degradation of live cells is often encountered. While the inactivation can be lowered by reducing the drying temperature, this may also result in low process throughput as the drying potential of gas also reduces. Fluidized beds operated at sub-atmospheric pressure offer a promising cost-effective alternative, wherein the gas continues to act as a heat carrier and a considerable reduction in product temperature and drying time can be achieved. Although there are a few studies in the literature, the influence of reduced pressure on the different aspects of the fluidized bed drying and inactivation process has not been studied in detail. The main objective of this work is a detailed investigation of the hydrodynamics and drying as well inactivation kinetics in a fluidized bed operated at reduced pressure. This is achieved by analyzing two aspects of the process in the pressure range 50 - 1000 mbar: (1) hydrodynamics and (2) drying and inactivation kinetics. Hydrodynamic characteristics such as minimum fluidization and elutriation velocity are important in the design and operation of the fluidized bed process. Semi-empirical correlations are often used to predict these properties and they have been developed for atmospheric pressure conditions in literture. In this work, the applicability of these correlations at sub-atmospheric pressures is analyzed. The new correlations accounting for individual effects of change in gas properties and effect of slip flow on the hydrodynamics at reduced pressures are developed. A critical Knudsen number, which distinguishes between these individual effects is determined. Computational fluid dynamics is employed to investigate the effect of reduced pressure on the porosity distribution, bed expansion, bypass ratio, and bubble characteristics in the bed. A two-fluid Eulerian model is used to investigate these properties in two-dimensional fluidized beds. At low pressure, increased bubble activity near the walls along with a non-homogeneous porosity distribution is observed. As the operating pressure is reduced, a decrease in bed porosity and bubble splitting is observed. The drying and inactivation kinetics of a model bioactive substance, namely, bakers yeast is investigated experimentally as well as using mathematical modeling. The batch experiments were conducted at different gas flow conditions and operating temperatures and pressures for two conditions of the inlet gas: (1) constant mass flow and (2) constant fluidization velocity. A mathematical model for the combined drying and inactivation of bakers yeast in a fluidized bed operated at reduced pressure is developed. Inactivation kinetics as a function of the operating pressure, temperature and moisture content of particles is modeled using experimental data. A parameter study is conducted to account for the kinetically- and equilibrium-controlled aspects of the process. At a constant inlet air mass flow rate, a higher drying rate is observed as the pressure is reduced. However, a higher drying rate also results in a larger reduction in the cell viability. With the help of the coupled drying and inactivation model developed in this work, it is possible to optimize the process path of drying thermo-sensitive materials such as bakers yeast in fluidized beds under reduced operating pressures effectively.
Doctoral thesis
Open Access
Kinetic models for label switching and stochastic gradient descent
(2024) Rossi, Alex; Burger, Martin
In this thesis we develop a new model, which consists in a linear integro-differential equation. This is introduced considering the structure of various models of the kinetic theory, with different applications, like, for instance, in the analysis of populations, material science and the stochastic gradient descent (SGD), the most famous algorithm for the stochastic optimisation. After the analysis of these motivations and the introduction of essential theoretical concepts, we present the main model and its principal properties: existence and uniqueness of measure-valued solutions, existence of stationary states and some features of such states. Moreover, we deal with the limit equation, in case the interaction parameter tends to infinity (grazing collisions limit). If we take into account the SGD-interpretation and the interaction parameter depends on time, we consider the limit of the solution to the equation, as time tends to infinity. Then, we add some diffusion to the main equation in order to create a stochastic gradient Langevin dynamics-type model. We present the problem of propagation of chaos, which leads us to a nonlinear equation, the Vlasov equation, of which we analyse the well-posedness. To conclude, we expose some further unsolved problems and issues.