Informationen:

••• Entwicklungsumgebung: Mevislab Mevislab ist eine Entwicklungsumgebung für die Bildverarbeitung und Visualisierung medizinischer Datensätze. Sie wurde vom Zentrum für medizinische Diagnosesysteme und Visualisierung MeVis in Bremen entwickelt. Auf der Grafikseite basierte MevisLab auf OpenInventor, eine High-Level-Bibliothek zur modularen Szenenbeschreibung, welche ihrerseits auf OpenGL aufsetzt. Applikationen können in MevisLab auf verschiedenen Ebenen entwickelt werden. Die dynamische Kombination verschiedener, vorgefertigter Module zu einem Netzwerk durch eine entsprechende grafische Benutzeroberfläche ermöglicht es, sehr schnell zu praktikablen Ergebnissen zu gelangen. Neben diesem High-Level-Ansatz können aber auch grundlegend neue Module in C++ entwickelt werden, um sie in einem Applikationsnetzwerk zu verwenden. Umfangreiche Möglichkeiten dieses Netzwerk mithilfe von Skripten zu manipulieren und Benutzeroberflächen zu erstellen, stehen ebenfalls zur Verfügung. Mehr Informationen und eine Demo-Version sind unter www.mevislab.com verfügbar. Es gibt eine umfangreiche Dokumentation, viele Beispiele und der jeweilige Betreuer wird euch bei der Einarbeitung in MevisLab beratend zur Seit stehen.

••• Anforderungen MevisLab basiert auf C++. Programmierkenntnisse in C++ sind notwendig, da aufgrund der zeitlichen Begrenzung keine Einführung in C++ gegeben werden kann. Bei High-Level-Problemen werden wir euch natürlich gerne unterstützend zur Seite stehen. Die vorgestellten Themen stellen Basisarbeiten dar. Anstatt vorhandene Implementationen/Verfahren zu erweitern oder verfeinern, habt ihr die Möglichkeit euch frei zu entfalten. Es wird eine grundlegende Richtung vorgegeben, eine eigenständige Weiterentwicklung des Themas ist jedoch nicht nur wünschenswert, sondern wird vorausgesetzt, da eine Diplomarbeit auch die Fähigkeit zu eigenständiger Arbeit unter Beweis stellen soll. Ihr werdet auf eurem Weg natürlich nicht allein gelassen, sondern steht in regelmäßigen Dialog mit eurem Betreuer. Eine Einarbeitung in das jeweilige Thema bzw. die Ausführung notwendiger Vorarbeiten sind im Rahmen eines Laborpraktikums möglich. So können auch frühzeitig Probleme erkannt und das Thema entsprechend angepasst werden.

Themen:

••• Werkzeuge zur Analyse und Zerlegung von Gefäßsystemen am Beispiel Lebergefäßbaum / Aneurysmenumfeld Aneurysmen entstehen immer an Gefäßen. Um weiterführende Interaktions- und Visualisierungstechniken entwickeln bzw. anwenden zu können, müssen die Gefäße für die Nutzer interaktiv anpassbar sein. Gefäßsysteme haben einen hierarchischen Charakter. Sinnvolle Interaktionstechniken bestünden darin, Teilbäume auszuwählen und vom restlichen Gefäßraum abzutrennen. Eine derartige Abtrennung von Gefäßen ist auch dann von Interesse, wenn nur das Aneurysma, ohne zu-/abführende Gefäße, sichtbar sein soll. Die zum Gefäß orthogonale Platzierung von Schnittkanten ist ebenfalls wichtig für die weitere Verwendung der Modelle in der Blutfluss-Simulation. Die dabei entstehenden Schnittkanten müssen neu vergittert werden, wobei die allgemeine Gitterqualität nicht reduziert werden darf, um die Simulationstauglichkeit des Gitters nicht zu beeinträchtigen. Ein grundlegendes Verständnis für Oberflächengitter ist daher für eine erfolgreiche Bearbeitung wünschenswert. In einem einführenden Laborpraktikum sollen Oberflächendreiecke einem bestimmten Gefäßabschnitt zugeordnet werden und umgekehrt. Dadurch kann durch Auswahl eines Dreiecks (z.B. Mausklick) sofort eine Aussage darüber getroffen werden, welche Position im hierarchischen Gefäßsystem ausgewählt wurde, welche Teilbäume daran grenzen usw.

••• Automatische Bestimmung morphologischer Indikatoren von Aneurysmen Für die weitere Verarbeitung und zielgerichtete Visualisierung von Aneurysmen ist eine genauere Beschreibung der Eigenschaften notwendig. Aneurysmen unterscheiden sich z.B. in der Anzahl der zu-/abführenden Gefäße, deren Durchmesser (im Ein-/Ausströmbereich) oder der Form des Aneurysmenkörpers ("kugelförmig", "spindelförmig", "ellipsoid" etc.). Ebenfalls von Interesse ist die Bestimmung des Aneurysmendachs, da die Gefäßwand dort häufig stark belastet wird. Ziel der Diplomarbeit ist es, in Gesprächen mit medizinischen Fachkräften alle notwendigen Indikatoren zu erarbeiten und Techniken zu entwickeln, diese automatisch zu bestimmen. Als Datengrundlage kann sowohl der Volumendatensatz als auch ein Oberflächenmodell zum Einsatz kommen. Neben der Extraktion der Indikatoren ist auch eine sinnvolle Visualisierung der Ergebnisse Teil der Aufgabe.

••• System zur automatischen Kamerapositionierung und Szenenbewertung, mit dem Schwerpunkt auf Aneurysmen und den versorgenden Gefäßen Gefäßsysteme zeichnen sich oft durch ihre komplexe Struktur aus. Ob man die Oberfläche eines Aneurysmas (und darauf abgebildete Informationen) sehen kann, ist abhängig davon, wie viel des umgebenden Gefäßsystems zusätzlich dargestellt wird. Häufig ist das Auffinden einer geeigneten, verdeckungsfreien Betrachterposition umständlich - in manchen Fällen kann eine solche Position überhaupt nicht gefunden werden. Weiterhin sind Positionen von Interesse, von denen ausgehend bestimmte Oberflächeneffekte oder die versorgenden Gefäße besonders gut zu sehen sind. In der klinischen Anwendung sollte der Interaktionsaufwand aufgrund des oft engen Zeitrahmens so gering wie möglich gehalten werden. Erschwerend kommt hinzu, dass die Anwender oft ungeübt im Umgang mit 3D-Visualisierungen sind. Deswegen ist ein Werkzeug wünschenswert, das automatisch Kamerapositionen (zwischen denen gewechselt werden kann und die als Ausgangsposition für eine weiterführende, manuelle Exploration dienen) für die Betrachtung des Aneurysmas zur Verfügung stellt. Die anatomischen Besonderheiten eines Aneurysmas (häufig eher konvex) und seiner umgebenden Gefäße (tubuläre Strukturen) sollen genutzt werden, um die Berechnung einer Kameraposition in Echtzeit zu ermöglichen. Ist keine passende Betrachterposition zu finden, soll das Werkzeug Vorschläge unterbreiten, welche Teilstrukturen (bestimmte Gefäßäste) z.B. ausgeblendet werden müssen, um einen günstigen Blickwinkel zu erhalten.

••• Einsatz von virtuellen Spiegeln für einen Überblick über die Aneurysmenoberfläche VERGEBEN Während 3D Visualisierungen den Vorteil haben, einen besseren Eindruck einer anatomischen Struktur zu vermitteln, haben sie doch den Nachteil, dass dem Betrachter nicht alle Oberflächeninformationen zu jeder Zeit zur Verfügung stehen, da die von ihm abgewandten Oberflächenbereiche für ihn nicht sichtbar sind. Der Einsatz von virtuellen Spiegeln, welche vom Betrachter aus gesehen hinter dem Objekt angebracht werden, könnte dazu dienen, einen (fast) vollständigen Überblick über die gesamte Oberfläche zu jedem Zeitpunkt zu liefern. Zu untersuchen wäre, welche Spiegelform geeignet ist und wie viele Spiegel, in welchem Winkel zum Objekt angeordnet werden sollten. Weiterhin muss überprüft werden, wie diese gespiegelten Informationen so vermittelt werden können, dass sie zu einem Informationsgewinn und keiner zusätzlichen Irritation des Betrachters führen, indem man z.B. eine reduzierte Menge an Informationen in den Spiegeln darstellt oder sich dem Mittel gezielter Unschärfe bedient. Das entwickelte Konzept zur gleichzeitigen Darstellung von Vorder- und Rückseiteninformationen sollte, wenn möglich, allgemeingültig sein, um neben den Aneurysmen auch auf andere anatomische Strukturen anwendbar zu sein.

••• Parametrisierbare Erzeugung von einfachen Stent-Modellen und Implementierung eines einfachen Deformationssystems Neben der Analyse des Strömungsverhaltens ist auch dessen Veränderung zu therapeutischen Zwecken von großem Interesse. Häufig werden so genannte Stents (kleine, flexible Gitterschläuche) verwendet, um das Strömungsverhalten in einem Aneurysma derart zu ändern, dass das Rupturrisiko sinkt. Um zielgerichtete therapeutische Behandlungsmethoden zu entwickeln, müssen weitere Erkenntnisse darüber gewonnen werden, inwieweit ein Stent das Strömungsverhalten in einem Aneurysma ändert. Dazu müssen Simulationen auf Datensätzen mit und ohne appliziertem Stent durchgeführt und Änderungen untersucht werden. Ein erster Schritt in Richtung dieser Simulationen ist die Erzeugung eines Stent-Modells, welches sich ausreichend realistisch verformt und so an die Gefäßform anpasst. Hauptmerkmal der Modellbeschreibung soll die einfache Änderung des Stent-Typs mithilfe von Parametern sein. So könnte der schlauchförmige Stent z.B. aus sich immer wiederholenden Teilmustern mit bekannten Bindungsinformationen definiert werden, so dass sich die Parametrisierung auf die Teilmuster und deren Verbindungen beschränkt. Gleichzeitig soll ein sehr einfaches physikalisches Modell entwickelt werden, das den Stent durch äußere Kräfte verformt (z.B. Ringabschnitte die bei Druck ellipsoid werden und deren Verformung sich in gewissem Grad auf Nachbarabschnitte überträgt etc.). So kann der Stent an den Gefäßverlauf angepasst und außerdem die Effektivität der Datenstruktur, mit der der Stent beschrieben wird, getestet werden.