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Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein bildgebendes Verfahren, das in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird. Diffusionsgewichtete Bildgebung ist ein spezielles bildgebendes MRT Verfahren, welches es ermöglicht, nichtinvasiv und in vivo Einblicke in den Verlauf von Nervenbahnen zu geben. Es erlaubt damit, Aussagen über die Struktur und Integrität dieser Verbindungsbahnen zu treffen. Im klinischen Alltag findet diese Modalität Anwendung in der neurochirurgischen Operationsplanung, wie beispielsweise bei Resektionen von Läsionen, die in wichtigen funktionellen oder tiefiegenden Arealen liegen, wo die Beschädigungsgefahr wichtiger Nervenbahnen gegeben ist. Kommt es im Zuge der Operation zu einer etwaigen Durchtrennung von wichtigen Bahnen, kann dies zu erheblichen funktionellen Beeinträchtigung führen. Diese Arbeit gibt eine Einführung in die MRT-Bildgebung und wird sich im Speziellen mit der Aufnahme von diffusionsgewichtetenMRT- Daten beschäftigen. Generell besteht das Problem, dass das Auflösungsvermögen von Diffusionsdaten relativ niedrig ist in Relation zum Aufnahmeobjekt. So werden in einem einzelnen 3D Volumenelement, auch Voxel genannt, eine Reihe von Nerventrakten abgebildet, die sich beispielsweise kreuzen, aufsplitten oder auffächern. Hier besteht die Notwendigkeit, diese Voxel zu identifizieren und zu klassifizieren, um auch in schwierigen Regionen aus den lokalen Diffusionsdaten die Verläufe von Nervenbündeln möglichst exakt zu rekonstruieren. Diese Rekonstruktion wird durch die sogenannte Traktographie realisiert. Im Zuge dieser Arbeit werden wir existierende Rekonstruktionsmethoden, wie beispielsweise diffusion tensor imaging (DTI) und q-ball imaging (QBI) auf synthetisch generierten Daten untersuchen. Wir werden herausstellen, welche wertvollen Informationen die rekonstruierten Daten liefern können und welche individuellen Einschränkungen es gibt. QBI rekonstruiert eine orientation distribution function (ODF), deren lokalen Maxima in vielen Fällen mit den Richtungen der Nervenbahnen übereinstimmen. Wir bestimmen diese lokalen Maxima. Auf den Metriken des Diffusionstensors wird eine neue voxelbasierte Klassifikation vorgestellt. Die Vereinigung von voxelbasierter Klassifikation, lokalen Maxima und globalen Informationen aus der Nachbarschaft eines Voxels ist der Hauptbeitrag dieser Arbeit und führt zur Entwicklung eines globalen Klassifikators, der mögliche Traktographie-Richtungen vorgibt und asymmetrische Konfigurationen ermittelt. Im Anschluss wird ein eigener Traktographie-Algorithmus vorgestellt, der auf den Ergebnissen des globalen Klassifikators arbeitet und somit auch Aufsplittungen von Nervenbahnen abbilden kann.
Zusätzlich zum Rendern wird die Rechenleistung moderner Grafikkarten immer häufiger auch für allgemeine Berechnungen (GPGPU) genutzt. Für die Umsetzung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, die von der Verwendung der Renderingpipeline bis zu eigenständigen Schnittstellen reichen. In dieser Arbeit werden mit Render-To-Texture, Transform Feedback, Compute Shader und OpenCL vier verschiedene GPGPU-Methoden untersucht. Anhand von Partikelsystemen werden sie hinsichtlich der benötigten Berechnungszeit, der GPU-Auslastung, Lines of Code und Portierbarkeit miteinander verglichen. Dazu wurden sowohl das N-Körper Problem, Smoothed Particle Hydrodynamics und ein Partikelschwarm als Partikelsysteme umgesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass insbesondere OpenCL und Compute Shader sehr gute Ergebnisse liefern.
Die Medizinische Visualisierung komplexer Gefäßbäume hat das Potential den klinischen Alltag in der Gefäßchirurgie zu erleichtern.
Dazu sind exakte, hochaufgelöste Darstellungen und echtzeitfähige Berechnungsmethoden notwendig. Bekannte Ansätze aus den Bereichen der direkten (z.B. Raycasting) und indirekten
(z.B. Marching Cubes) Volumenvisualisierung sind nicht in der Lage alle Anforderungen zufriedenstellend zu erfüllen. Verbesserte
Ergebnisse können mit hybriden Methoden erzielt werden, die unterschiedliche Visualisierungsverfahren kombinieren.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hybrides Renderingsystem zur Darstellung von Blutgefäßen entwickelt, das die Bildqualität durch Integration einer Marching Cubes Oberfläche in ein Raycasting–System optimiert, dabei Detailstrukturen erhält und ausreichende Performanz zur Interaktion bietet. Die Ergebnissezeigen die verbesserte Plastizität und Genauigkeit der Darstellung.Anhand von Experten– und Laienbefragungen konnte der Nutzen des Systems vor allem für die Patientenaufklärung nachgewiesen werden. Die Erschließung zusätzlicher Anwendungsgebiete ist durch die Weiterentwicklung des Renderers möglich.
Bruchsimulation
(2014)
Aufgrund ihrer Komplexität wird die Simulation von Brüchen in echtzeitfähigen Anwendungen der Computergraphik häufig gemieden. Durch Methoden aus den Ingenieurswissenschaften können Simulationen geschaffen werden, die Spiele und andere Anwendungen enorm bereichern. Stetig steigende Rechnerleistungen ermöglichen entsprechende Simulationen in Echtzeit und machen diesen Aspekt zunehmend interessanter.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung von Brüchen starrer Körper durch eine Simulation. Der Fokus richtet sich dabei auf die physikalische Plausibilität und Performanz der Anwendung. Durch diese Ausarbeitung soll beantwortet werden, inwiefern eine Simulation von Brüchen mit Mitteln der Computergraphik umgesetzt werden kann.
Es wurden drei bestehende Ansätze und eine eigene Entwicklung implementiert und analysiert. Dieser Arbeit liegen die Verfahren "Real-Time Simulation of Deformation and Fracture of Stiff Materials" von Müller et al., "Real-Time Simulation of Brittle Fracture using Modal Analysis" von Glondu et al. und "Fast and Controllable Simulation of the Shattering of Brittle Objects" von Smith et al. zugrunde. Die vorgestellten Methoden führen voneinander abweichende Bruchbildungen durch. Das eigenständig entwickelte Verfahren baut auf deren Vorzügen auf und erweitert sie mit der Idee der sekundären Risse. Die Implementierung der vier Ansätze erfolgte in der Physik-Engine Bullet.
Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass physikalisch basierte Brüche in Echtzeit realisierbar sind. Die Untersuchung der physikalischen Methoden auf Performanz zeigte, dass diese vor allem mit der Struktur der Objekte zusammenhängen. Die präsentierten Methoden lieferten für eine Auswahl an Objekten physikalisch plausible Ergebnisse in Echtzeit. Durch die Ausarbeitung wird deutlich, dass die weitere Erforschung der Thematik neue Möglichkeiten aufdecken kann. Die Verbesserung des Realismus in echtzeitfähigen, virtuellen Welten kann mit dem Einsatz von physikalisch plausiblen Methoden erreicht werden.
In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit der Frage, ob die empfundene Herausforderung, der Flow-Zustand und der Spielspaß in Computerspielen miteinander zusammenhängen und welchen Einfluss die motivationspsychologischen Komponenten Erfolgsmotivation, Misserfolgsmotivation und Erfolgswahrscheinlichkeit dabei haben. Außerdem wollen wir wissen, ob eine freie Wahl des Schwierigkeitsgrads der optimale Weg zum Flow-Zustand ist. Um diese Theorien zu untersuchen, wurde eine Studie anhand einer Online-Umfrage durchgeführt, in welcher die Probanden das Spiel “flOw“ spielten. Die Ergebnisse wurden ausgewertet mithilfe einer zweifaktoriellen Varianzanalyse mit Messwiederholung und Tests auf Korrelation. Dabei fanden wir heraus, dass tatsächlich ein Zusammenhang zwischen Herausforderung, Flow und Spaß existiert und die Motivation dabei indirekt eine Rolle spielt.
Die Mitralklappe ist eine der vier Herzklappen des Menschen und in der linken Herzkammer zu finden. Ihre Funktion ist es, den Blutfluss vom linken Atrium zum linken Ventrikel zu regeln. Pathologien können zu eingeschränker Funktionalität der Klappe führen, sodass Blut zurück ins Atrium fließen kann. Patienten, die von einer Fehlfunktion betroffen sind, leiden möglicherweise an Erschöpfung und Schmerzen in der Brust. Die Funktionalität kann chirurgisch wiederhergestellt werden, was meist ein langer und anstrengender Eingriff ist. Eine gründliche Planung ist daher nötig, um eine sichere und effektive Operation zu garantieren. Dies kann durch prä-operative Segmentierungen der Mitralklappe unterstützt werden. Eine post-operative Analyse kann den Erfolg eines Eingriffs feststellen. Diese Arbeit wird bestehende und neue Ideen zu einem neuen Ansatz kombinieren, der zur (semi-)automatischen Erstellung solcher Mitralmodelle dienen kann. Der manuelle Anteil garantiert ein Modell hoher Qualität, während der automatische Teil dazu beiträgt, wertvolle Arbeitszeit zu sparen.
Die Hauptbeiträge des automatischen Algorithmus sind eine ungefähre semantische Trennung der beiden Mitralsegel und ein Optimierungsprozess, der in der Lage ist, eine Koaptations-Linie und -Fläche zwischen den Segeln zu finden. Die Methode kann eine vollautomatische Segmentierung der Mitralsegel durchführen, wenn der Annulusring bereits gegeben ist. Die Zwischenschritte dieses Vorgangs werden in eine manuelle Segmentierungsmethode integriert, so dass ein Benutzer den Gesamtprozess beeinflussen kann. Die Qualität der generierten Mitralmodelle wird durch das Vergleichen mit vollständig manuell erstellten Modellen gemessen. Dies wird zeigen, dass übliche Methoden zur Bestimmung der Qualität einer Segmentierung zu allgemein gefasst sind und nicht ausreichen, um die echte Qualität eines Modells widerspiegeln zu können. Folglich führt diese Arbeit Messungen ein, die in der Lage sind, eine Segmentierung der Mitralklappe detailliert und unter Betracht anatomischer Landmarken bewerten zu können. Neben der intra-operativen Unterstützung eines Chirurgen liefert eine segmentierte Mitralklappe weitere Vorteile. Die Möglichkeit, die Anatomie einer Klappe patientenspezifisch aufzunehmen und objektiv zu bewerten, könnte als Grundlage für zukünftige medizinische Forschung in diesem Bereich dienen. Die Automatisierung erlaubt dabei das Bearbeiten großer Datenmengen mit reduzierter Abhängigkeit von Experten. Desweiteren könnten Simulationsmethoden, welche ein segmentiertes Modell als Eingabe nutzen, das Ergebnis einer Operation vorhersagen.
Augmented Reality gewinnt heutzutage immer mehr an Bedeutung in Gebieten wie der Industrie, der Medizin oder der Tourismus-Branche. Dieser Anstieg kann durch die Möglichkeit der Erweiterung der realen Welt mit weiteren Information durch Augmented Reality erklärt werden. Somit ist dieses Verfahren zu einer Methode geworden, den Informationsfluss wesentlich zu verbessern. Um ein System zu erstellen, das die reale Welt mit Zusatzinhalten erweitert, muss die Relation zwischen System und realer Welt bekannt sein. Die gängigste Methode zum Erstellen dieser Verbindung ist optisches Tracking. Das System berechnet die Relation zur realen Welt aus Kamerabildern. Dabei wird eine Referenz in der realen Welt als Orientierung genutzt. Zumeist sind dies 2D-Marker oder 2D-Texturen, die in der Szene der realen Welt platziert werden. Dies bedeutet allerdings auch einen Eingriff in die Szene. Deshalb ist es wünschenswert, dass das System ohne eine solche Hilfe arbeitet. Ein Ansatz ohne Manipulation der Szene ist Objekt-Tracking. In diesem Ansatz kann ein beliebiges Objekt als Referenz genutzt werden. Da ein Objekt viel komplexer als ein Marker oder eine Textur ist, ist es für das System schwerer, daraus eine Relation zur realen Welt herzustellen. Deshalb reduzieren die meisten Ansätze für 3D-Objekt-Tracking das Objekt, indem nicht das gesamte als Referenz dient. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung, wie ein ganzes Objekt als Referenz genutzt werden kann, sodass das System oder die Kamera sich 360 Grad um das Objekt herum bewegen kann, ohne dass das System die Relation zur realen Welt verliert. Als Basis dient das Augmented Reality-Framework "VisionLib". Verschiedene Erweiterungen wurden im Rahmen dieser Arbeit für 360-Grad-Tracking in das System integriert und analysiert. Die unterschiedlichen Erweiterungen werden miteinander verglichen. Durch das Verbessern des Reinitialisierungsprozesses konnten die besten Ergebnisse erzielt werden. Dabei werden dem System aktuelle Bilder der Szene übergeben, mit dem das System schneller eine neue Relation zur realen Welt herstellen kann, wenn diese verloren geht.
Statistical Shape Models (SSMs) are one of the most successful tools in 3Dimage analysis and especially medical image segmentation. By modeling the variability of a population of training shapes, the statistical information inherent in such data are used for automatic interpretation of new images. However, building a high-quality SSM requires manually generated ground truth data from clinical experts. Unfortunately, the acquisition of such data is a time-consuming, error-prone and subjective process. Due to this effort, the majority of SSMs is often based on a limited set of this ground truth training data, which makes the models less statistically meaningful. On the other hand, image data itself is abundant in clinics from daily routine. In this work, methods for automatically constructing a reliable SSM without the need of manual image interpretation from experts are proposed. Thus, the training data is assumed to be the result of any segmentation algorithm or may originate from other sources, e.g. non-expert manual delineations. Depending on the algorithm, the output segmentations will contain errors to a higher or lower degree. In order to account for these errors, areas of low probability of being a boundary should be excluded from the training of the SSM. Therefore, the probabilities are estimated with the help of image-based approaches. By including many shape variations, the corrupted parts can be statistically reconstructed. Two approaches for reconstruction are proposed - an Imputation method and Weighted Robust Principal Component Analysis (WRPCA). This allows the inclusion of many data sets from clinical routine, covering a lot more variations of shape examples. To assess the quality of the models, which are robust against erroneous training shapes, an evaluation compares the generalization and specificity ability to a model build from ground truth data. The results show, that especially WRPCA is a powerful tool to handle corrupted parts and yields to reasonable models, which have a higher quality than the initial segmentations.
Das Ziel dieser Masterarbeit war es, ein Konzept für einen mobilen Stadtführer mit gamebasierten Inhalten zu entwerfen und prototypisch umzusetzen.
Die Anwendung soll ein flexibles und unabhängiges Entdecken der Stadt Koblenz ermöglichen. Basierend auf den geographischen Daten wurden in der Anwendung stadthistorische Informationen sowie interessante Geschichten zu verschiedenen Orten bereitgestellt. Diese Informationen wurden mit spielerischen Elementen kombiniert, um ein motivierendes Konzept zu schaffen.
Dafür wurden zunächst verwandte Ansätze untersucht und darauf aufbauend unter Berücksichtigung eigener Ideen ein neues Konzept entwickelt. Das Konzept wurde prototypisch als Android-Anwendung umgesetzt. Das Ergebnis wurde in einer abschließenden Evaluation mit 15 Probanden untersucht. Dabei wurden mit Hilfe eines Fragebogens unter anderem die Bedienbarkeit, die Motivation durch die Spielelemente und der Mehrwert der Anwendung betrachtet.
Eine der grundlegenden Entscheidungen bei der Entwicklung eines Systems ist die Darstellung der Daten. Üblicherweise werden in der Computergrafik Objekte durch Dreiecke dargestellt. Allerdings existieren viele weitere Varianten, welche andere Stärken und Schwächen besitzen. In dieser Arbeit soll die Repräsentation von Objekten durch Distanzfelder untersucht werden. Distanzfelder sind Funktionen, welche für jeden Raumpunkt die Distanz zum nächsten Oberflächenpunkt angeben. Aus dieser einfachen Beschreibung lassen sich viele interessante Eigenschaften ableiten, welche zur Darstellung einer Vielzahl von Formen, Operationen und Effekten genutzt werden können. Es wird ein Überblick über die Hintergründe und Methoden des Distanzfeld-Renderings gegeben. Weiterhin werden verschiedene neue oder erweiterte Ansätze vorgestellt, etwa zur Darstellung impliziter Oberflächen, approximativer indirekter Beleuchtung oder einer GPU Implementation.