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There is an increasing need of automation for routine tasks like sorting agricultural produce in large scale post-harvest processing. Among different kinds of sensors used for such automation tasks, near-infrared (NIR) technology provides a rapid and effective solution for quantitative analysis of quality indices in food products. As industries and farms are adopting modern data-driven technologies, there is a need for evaluation of the modelling tools to find the optimal solutions for problem solving. This study aims to understand the process of evaluation of the modelling tools, in view of near-infrared data obtained from green leafy vegetables. The first part of this study deals with prediction of the type of leafy green vegetable from the near-infrared reflectance spectra non-destructively taken from the leaf surface. Supervised classification methods used for the classification task were k-nearest neighbors (KNN), support vector machines (SVM), linear discriminant analysis (LDA) classifier, regularized discriminant analysis (RDA) classifier, naïve Bayes classifier, bagged trees, random forests, and ensemble discriminant subspace classifier. The second part of this study deals with prediction of total glucosinolate and total polyphenol contents in leaves using Partial Least Squares Regression (PLSR) and Principal Component Regression (PCR). Optimal combination of predictors were chosen by using recursive feature elimination. NIR spectra taken from 283 different samples were used for classification task. Accuracy rates of tuned classifiers were compared for a standard test set. The ensemble discriminant subspace classifier was found to yield the highest accuracy rates (89.41%) for the standard test set. Classifiers were also compared in terms of accuracy rates and F1 scores. Learning rates of classifiers were compared with cross-validation accuracy rates for different proportions of dataset. Ensemble subspace discriminants, SVM, LDA and KNN were found to be similar in their cross-validation accuracy rates for different proportions of data. NIR spectra as well as reference values for total polyphenol content and total glucosinolate contents were taken from 40 samples for each analyses. PLSR model for total glucosinolate prediction built with spectra treated with Savitzky-Golay second derivative yielded a RMSECV of 0.67 μmol/g of fresh weight and cross-validation R2 value of 0.63. Similarly, PLSR model built with spectra treated with Savitzky-Golay first derivative yielded a RMSECV of 6.56 Gallic Acid Equivalent (GAE) mg/100g of fresh weight and cross-validation R-squared value of 0.74. Feature selection for total polyphenol prediction suggested that the region of NIR between 1300 - 1600 nm might contain important information about total polyphenol content in the green leaves.

Near infrared (NIR) spectroscopy is being developed on living tissue models for noninvasively measuring in vivo glucose concentrations in individuals with diabetes. Multivariate calibration models have been built and the selectivity of each multivariate signature has been evaluated by several means. The primary objective of the research detailed in this dissertation is to practically apply noninvasive NIR glucose measurements on animal models for both short-term and long-term studies and preview future human subject evaluations. In the animal study, living tissue spectra were collected through a modified optical interface with hyper- and hypo-glycemia control. Selective measurements of glucose molecules are illustrated by the partial lease squares (PLS) algorithm, net analyte signal (NAS) vector, and hybrid linear analysis (HLA). Each model demonstrates the ability to predict prospective glucose concentrations in the short term. A restraint platform was developed for the long-term study on conscious animals. Conscious animal spectra were collected on multiple days. The anesthetized animal experiment follows on the final day. Principal component analysis (PCA) of spectra collected on different days demonstrates no significant difference between conscious animal spectra and anesthetized animal spectra. Moreover, an NAS vector analysis from conscious animal spectra has the ability predict glucose concentrations which follow the blood glucose transient during the anesthetized animal experiment. This procedure has great potential to be applied in future NIR glucose monitoring device. Before the application of this noninvasive NIR technology on people with diabetes, the impact of skin difference must be determined. In this human subject study, human skin color and baseline spectra were collected and analyzed to determine differences among individuals and within groups of people. To compare in vivo NIR spectra with different skin characteristics, PCA was performed to obtain principal component (PC) scores. Poor correlation between PC scores and skin characteristics concludes that noninvasive near-infrared technology is insensitive to different types of skin. In addition, glucose prediction was performed by a NAS analysis. The prediction results demonstrate that it is feasible to build a NAS glucose model for noninvasive NIR glucose predictions in human subjects.

ZIELSETZUNG Die Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung beinhaltet in ihrer Kernsymptomatik eine Störung der Motorik. Bisher wurden viele Studien zur motorischen Inhibition veröffentlich, wenige jedoch zur Exekution von motorischen Aufgaben. Im der vorliegenden Studie wurden Kinder und Jugendliche mit ADHS und gesunde Kontrollprobanden mittels zweier Aufgaben zur repetitiven Fingerbewegung untersucht. Zeitgleich wurden die Gehirndurchblutung mittels fNIRS sowie die neuronale Aktivität mittels EEG registriert. Ziel unserer Arbeit war es, die Ergebnisse von Romanos et al. (2007) zu replizieren sowie weitere Erkenntnisse über die Korrelation zwischen fNIRS- und EEG-Aktivierungen zu erlangen. METHODEN Die Patientengruppe wurde jeweils einmal mit und einmal ohne Medikation gemessen, die Kontrollgruppe nur einmal. Die Kinder wurden nach entsprechender Aufklärung mit EEG- und fNIRS-Messeinrichtungen vorbereitet und führten nach einem kurzen Probedurchlauf einfach motorische Fingerbewegungen durch. Es wurden sowohl eine Finger-Daumen-Opposition als auch ein Zeigefinger-Tapping in einem bestimmten Rhythmus und Reihenfolge verlangt. Ergänzend wurde ein Oberflächen-EMG im Bereich der beteiligten Muskulatur am Unterarm aufgezeichnet. EEG-, fNIRS- und EMG-Ergebnisse wurden gemittelt und die unterschiedlichen Gruppen miteinander verglichen. ERGEBNISSE In unserer Auswertung waren 24 Kinder mit der Diagnose einer ADHS sowie eine nach Alter und IQ vergleichbare Kontrollgruppe mit 16 Kindern. Das mittlere Alter betrug 12,4 (ADHS-Patienten) bzw. 12,10 Jahre (Kontrollen). Aufgrund einer ungleichen Geschlechterverteilung musste das Geschlecht als Kovariate in der Auswertung berücksichtigt werden. Wir konnten sowohl für die fNIRS als auch für die EEG typische Aktivierungsmuster feststellen. Für die medizierten Probanden fanden wir untypische, diffusere Aktivierung außerhalb des Bereichs des Motorkortex mit fNIRS. Im EEG konnte nur die mPINV-Potentialkomponente ausgewertet werden, die iMP-Komponente konnte aufgrund technischer Probleme nicht ausgewertet werden. Die EMG-Messung fiel wie erwartet aus und zeigte für alle Bedingungen signifikante Aktivierung der ipsilateralen Muskulatur. DISKUSSION Unsere Ergebnisse stehen nicht im Einklang mit der aktuellen Literatur. Teilweise stimmen sie mit der Arbeit von Romanos et al. (2007) aus unserer Arbeitsgruppe überein. Zudem ist zu erwähnen, dass bisher wenige Arbeiten existieren, die sich mit fNIRS-Messungen im Motorkortex beschäftigt haben. Zahlreiche Arbeiten dagegen beschäftigten sich mit der Inhibitionsleistung bei Patienten mit ADHS und zeigen dazu häufig Ergebnisse aus dem präfrontalen Kortex. Hierbei finden sich unterschiedliche Ergebnisse, die sowohl eine Hypo- als auch eine Hyperaktivität nachweisen können. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass die Gehirnaktivität durch Methylphenidat normalisiert wird. Wir finden jedoch im – bisher schlecht untersuchten – Motorkortex eine diffusere Aktivierung durch die Medikation. Eine Studie von Lange et al. (2007) zeigte, dass durch MPH die Handschrift langsamer, aber ordentlicher wird. Möglicherweise wird durch die Medikation aus dem automatisierten Prozess des Schreibens ein bewusst kognitiv gesteuerter Prozess, der mit einer veränderten, verstärkten Gehirnaktivierung im Bereich des Motorkortex einhergeht. Dies könnte unseren Befund erklären. MPH wirkt im Bereich des dopaminergen Systems durch Bindung an den Dopamintransporter (K. H. Krause et al., 2000b). Eine besonders hohe Konzentration findet sich im Bereich des Striatums. Wir interpretieren unser Ergebnis so, dass eine Beeinflussung der subkortikalen Strukturen sekundär zu Aktivierungsveränderungen im Bereich des Motorkortex führt und so die diffusere Aktivierung erklärbar ist. Weitere Studien werden nötig sein um dieses Phänomen genauer zu untersuchen. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Finger-Daumen-Oppositions-Aufgabe veränderte Gehirnpotentiale im Vergleich zur Tapping-Aufgabe hervorrief, vermutlich durch die erhöhte Komplexität bei der Finger-Daumen-Opposition. Wir korrelierten die durch fNIRS und EEG gefundenen Aktivierungen und konnten keine aussagekräftige Korrelation finden, anders als in Studien von Ehlis et al. (2009) und Takeuchi et al. (2009). / Simple motor processes in children with attention deficit hyperactivity disorder (ADHD): a combined investigation with event related potentials and functional near-infrared spectroscopy

Ziel dieser Arbeit war eine verhaltensgenetische Untersuchung des NOS1-Gens, welches den NOS1 ex1f-VNTR Polymorphismus beinhaltet. Dieser gilt als Hotspot für mehrere psychiatrische Erkrankungen wie Schizophrenie, adultes ADHS und Impulsivitätsstörung. Er besitzt eine Funktionalität, durch die seine Genexpression von der Allelvariante (Long, L/Short, S) abhängig ist. Da der NOS1 ex1f- VNTR Polymorphismus hauptsächlich im Striatum exprimiert wird, wurde in der vorliegenden Arbeit die striatale Funktion mittels Setshifting-Paradigma unter Messung der Hirnoxygenierung durch funktionelle Nahinfrarotspektroskopie untersucht. In einer Pilotstudie wurde die region of interest erfasst. 62 gesunde Hauptprobanden wurden je nach Genotyp in drei Gruppen stratifiziert (LL/SS/SL). Es zeigten sich zwischen den Gruppen keine signifikanten Unterschiede im Bereich der Reaktionszeiten und Impulsivitätsneigung. Jedoch wies die SS-Gruppe eine signifikant höhere Hirnaktivierung und Fehlerrate im Vergleich zur LL-Gruppe auf. Somit konnte durch die vorliegende Arbeit die Funktionalität des NOS1 ex1f-VNTR Polymorphismus sowie die bei Short/Short-Allelträgern vorliegende striatale Dysfunktion bestätigt werden. / NOS1 ex1f-VNTR Polymorphism is associated with several psychiatric diseases such as schizophrenia or impulsivity related disorders (i.e. adult ADHD, cluster B personality disorder). It is characterized by its functionality in that long (L) allel variants enhance gene expression and short (S) allele variants decrease transcriptional activity. Since the NOS1 ex1f-VNTR Polymorphism is mainly expressed in striatal neurons, striatal function was examined in a Setshifting-Paradigm while measuring prefrontal oxygenation with functional near-infrared spectroscopy. Region of interest was determined in a pilot study. 62 heathy control subjects were stratified in 3 groups according to their genotype (LL/SS/SL). While there were no significant differences in reaction time and self-reported impulsiveness, homozygous short alleled carrier showed significantly more activation and significantly higher error rates compared to homozygous long alleled carrier. These results confirm the functionality of NOS1 ex1f-VNTR Polymorphism and support the thesis of striatal dysfunction in short/short allele carrier.

Viele Patienten, die an Schizophrenie erkrankt sind, zeigen dauerhafte Einschränkungen in sozial-kommunikativen und sozial-kognitiven Kompetenzen. Dies führt oft zu sozialem Rückzug, erschwert alltägliche zwischenmenschliche Interaktion und mindert die Lebensqualität der Patienten deutlich. Jene Einschränkungen sind bei Patienten mit Negativsymptomatik oder chronischen Zuständen besonders ausgeprägt und könnten einer Minderaktivierung im Spiegelneuronensystem unterliegen. Ziel dieser Studie war es, Korrelate von Defiziten in der sozialen Interaktion bei schizophrenen Patienten mit überwiegender Negativsymptomatik im Gegensatz zu gesunden Kontrollpersonen auf verschiedenen Ebenen darzustellen. Hierfür wurde die Fähigkeit zur sozialen Kognition anhand zweier verschiedener psychologischer Testverfahren erhoben und zudem die Gehirnaktivierung während alltagsähnlicher sozialer Interaktion mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass schizophrene Patienten mit vorherrschender Negativsymptomatik unter größeren Beeinträchtigungen zumindest in Teilaspekten von sozialer Kognition leiden als gesunde Kontrollpersonen. Hierbei steht Negativsymptomatik in Zusammenhang mit einer schlechteren Leistung im „Reading Mind in the Eyes Test“, was als „Undermentalizing“ angesehen werden kann. In Bezug auf die neurophysiologischen Messungen von Gehirnaktivität während alltagsähnlicher sozialer Interaktion konnte in der gesunden Kontrollgruppe eine fronto-temporo-parietale Aktivierung festgestellt werden. Hierbei steht insbesondere die Aktivität im Bereich des linken inferioren Parietallappens in Übereinstimmung mit den Ergebnissen zweier vorangegangener Studien (Egetemeir et al. 2011; Herrmann et al. 2015). In der Gruppe der schizophrenen Patienten dieser Studie jedoch zeigte sich keine während „Joint action“ spezifische Aktivität in temporo-parietalen Gehirnregionen. Ebenso war die Gehirnaktivität in den klassischen Spiegelneuronenarealen bei den Patienten im Vergleich zur Kontrollgruppe vermindert. Stattdessen kam es in der Patientengruppe zu einer erhöhten präfrontalen Gehirnaktivierung. Diese verschiedenartige Aktivierungsstrategie bei „Joint action“ kann als kompensatorische Gehirnaktivität interpretiert werden, die es den Patienten ermöglicht, soziale Interaktion erfolgreich zu bewältigen. Falls etwa die entscheidende Rolle während der Bewältigung der vorliegenden „Joint action“-Aufgabe in der Vermittlung visuell-räumlicher Aufmerksamkeitsprozesse durch den inferioren Parietallappen liegt (Herrmann et al. 2015), ist denkbar, dass diese Fähigkeit durch kompensatorische Vorgänge im präfrontalen Kortex übernommen werden kann. Da die Patienten dieser Studie zumeist seit längerer Zeit oder in chronisch residualem Zustand an Schizophrenie mit Negativsymptomatik litten, liegt es nahe, dass sich die kompensatorischen Strategien im Laufe der Zeit durch das alltägliche Leben ausreichend etablieren konnten. Die verminderte Aktivität in Spiegelneuronenarealen innerhalb der Patientengruppe untermauert das Konzept zur Krankheitsentstehung der Schizophrenie von Mehta und Kollegen, welches besagt, dass Gene und Umweltfaktoren ein möglicherweise angeboren defektes Spiegelneuronensystem beeinflussen, wobei erniedrigte Spiegelneuronenaktivität mit Defiziten in sozial kognitiven Einschränkungen und Negativsymptomatik einhergehe (Mehta et al. 2014a). Diese Zusammenhänge können jedoch im Rahmen dieser Studie lediglich vermutet und nicht objektiviert werden. Durch die vorliegende Untersuchung konnte festgestellt werden, dass schizophrene Patienten mit Negativsymptomatik andere neuronale Strategien während alltagsähnlicher sozialer Interaktion nutzen als gesunde Personen, was einen weiteren Einblick in die neurobiologischen Grundlagen der Erkrankung erlaubt. / Many schizophrenic patients show impairments in social cognitive skills especially those with negative symptoms. Often this leads to social withdrawal, aggravates every day social interaction and reduces the quality of life of the patients. Several of these aspects could underlie a deficit in the mirror neuron system (MNS). In the present study different aspects of social interaction were investigated and compared between 16 schizophrenic patients and 17 healthy controls. Therefore, the ability of social cognition was tested by two different neuropsychological tests. In addition to that, functional brain activity including activation of the MNS was measured by functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) during a real-life joint action task. This joint action paradigm was published before and led to a consistent activation of the left inferior parietal lobe (IPL) in healthy subjects (Egetemeir et al. 2011; Herrmann et al. 2015). The results show that schizophrenic patients with predominant negative symptoms use different clusters of neural activity during social interaction. By group contrast it could be shown that healthy participants had a significant higher activation in temporo-parietal regions than the patients who showed higher activation in prefrontal areas. Furthermore MNS activity was less in the patient than in the control group. Regarding social cognition patients performed worse in the “Reading the Mind in the Eyes Test”. But despite possible partial impairments in social cognition or dysfunctional brain regions it could be shown that schizophrenic patients are able to successfully manage social interaction through probably engaging compensatory brain strategies.

Road conditions are a critical issue for road users as, if not given sufficient attention, they may threaten users’ lives. The environmental parameters, such as snowy, icy, dry and wet, are important in relation to the condition of roads. This is particularly true in relation to the northern regions and greatest concern should be in relation to snowy and icy situations. In this thesis, a system based on an InGaAs area scan sensor utilizes NIR technology to detect water or ice on the road so as to enable drivers to avoid slippery road conditions. The conditions caused by freezing water on road surface are particularly dangerous and are not easy to observe and it is hope that this project will boost traffic safety. The system is able to assist road maintenance personnel in forecasting and detecting slippery road conditions during winter road maintenance (WRM). The system, which is based on FPGA, has functionalities that display the captured images on an HDMI monitor and send the images to the software on a host PC via the UART protocol. An interface board, which carries the sensor and which connects to the FPGA board, is developed for NIR sensor. VHDL implementation and PC software design are the works included in the project. Besides, this device is exploited utilizing InGaAs image sensor. According to its features, it can be applied in other applications which will also be discussed. Finally, experiments are conducted in order to investigate the system’s operation with the variation of temperature.

Predicting tenderness in today's beef supply could be advantageous to packers and consumers. In this study (n = 1,137 carcasses), visible-near-infrared, electrical impedance, pH and Minolta CIE L*, a*, and b* color space values were examined as predictors of beef 1, 7, and 14 d Warner-Bratzler (N) or Slice Shear (N) force values as estimators of beef tenderness. Visible-NIR at 350 to 1830 nm, electrical impedance, and color space values were taken at the beef packing plant, along with carcass data. Strip loins were transported to Texas A & M University where pH was taken. Six steaks were taken from the anterior end of the strip loin and randomly assigned to either Warner-Bratzler shear force (WBSF) after 1, 7, or 14 days, or Slice shear force (SSF) after 1, 7, and 14 days of post-harvest aging at 2 degrees C. Shears were taken on assigned days. Shear force values were highly correlated with each other (r = 0.37 to 0.56 for WBSF and r = 0.75 to 0.78 for SSF) (P < 0.05). Within the independent variables, reflectance values for mid-range wavelengths (562nm-1193nm) were found to be most highly correlated with the dependent variables (P < 0.05). pH and color spaces values were more highly correlated (P < 0.05) to slice shears values then to Warner-Bratzler shears force values. Electrical impedance was the least significant with r values of 0.00 to 0.14. When Visble-NIR reflectance values were used in stepwise regression equations to predict 1, 7, or 14 d WBSF or 1, 7, or 14 d SSF, prediction equations for 14 d WBSF and SSF had the highest R^2 (0.14 and 0.36, respectively). Stepwise regression equations that included pH and color space values had the highest R^2 for 7 d WBSF and 1 d SSF (0.22 and 0.28, respectively). Electrical impedance alone in a stepwise regression equation had the highest R^2 for 1 and 14 d WBSF and 1 and 7 d SSF (0.02 and 0.03, respectively). Stepwise regression equations that included pH, color space values, and electrical impedance had the highest R^2 for 7 d WBSF and 14 d SSF (0.25 and 0.24, respectively). When pH, color space values, electrical impedance, and Visible-NIR were used, 7 d WBSF and 1 d SSF had the highest R^2 (0.38 and 0.34, respectively). Stepwise regression equations that included pH, color space values, and Visible-NIR had the highest R^2 for 7 d WBSF and 14 d SSF (0.30 and 0.44, respectively). For predicting 14 d Warner-Bratzler shear force, a R^2 of 0.20 was found using Visible-NIR, pH and color space values. When used, the partial least squares equation predicted tenderness with an 85 percent success rate. For predicting 14 d Slice shear forces, a R^2 of 0.40 was found. When used, the partial least squares equation had a 100 percent success rate of predicting those steaks found tender to be tender for Slice shear force. There was an 85 percent success rate for predicting 14 d Warner-Bratzler shear forces. Both equations still had little to no success in predicting tough steaks. The Visible-NIR can successfully predict tenderness

Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 2005