Computergrafik, Bildverarbeitung und Visualisierung (WS 12/13)

Termine

Abstracts

Seabstian Volke

Visualization and Comparison of Particle Swarm Optimization Algorithms on Discrete Energy Landscapes

Many algorithms have been designed to solve optimization problems. Particle swarm optimization (PSO), a familiy of algorithms modeled after the behaviour of flocks of birds, has been very successful in this area and often outperforms other classes of algorithms like genetic algorithms or dynamic programming.
While PSO was originally designed to solve optimization problems on continuous domains, research has been done to apply this type of algorithm to discrete or combinatorial problems. A common motivation originates from biology: finding the energy optimal secondary structure of RNA molecules. So far two PSO algorithms have been proposed to answer this question. They differ in design, scope and approach, but more importantly there is a difference in the quality of the found solutions. It is very difficult to properly compare the algorithms and find causes for this.
The purpose of this work is to apply existing visualization techniques to analyse the discrete search space and illustrate the behaviour of the PSO algorithms on it. The presented visual representations will help to better understand the algorithms and support comparison and optimization of them. Furthermore, previous results about the algorithms will be investigated and verified using these techniques.

Johannes Waschke

Probabilistische Rekonstruktion von Neuronalen Faserbahnen mit OpenCL

Mit diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographien ist es möglich, Diffusionsströmungen im Gehirn in vivo zu messen. Auf Grundlage dieser MRT-Daten gibt es verschiedene Möglichkeiten, anatomische Verbindungen im Gehirn abzuschätzen. Ein solches Verfahren ist die probabilistische Traktographie. Diese modelliert auch die Unsicherheit, welche beispielsweise durch Bildrauschen oder das DTI-Modell entsteht. Aufgrund der hohen Rechendauer im Bereich von einigen Sekunden bis Minuten ist jedoch bisher keine interaktive Umsetzung des probabilistischen Trackings möglich. Die vorliegende Bachelorarbeit beschreibt die Implementierung des Verfahrens in OpenCL, einer Programmiersprache für die Grafikkarte. Zusammen mit grafikkartenspezifischen Optimierungen wird eine Erhöhung der Geschwindigkeit um das Zehn- bis Hundertfache erreicht. Als Rahmenprogramm für das probabilistische Tracking dient OpenWalnut, eine Open-Source-Software zur Darstellung medizinischer Bilddatensätze.

Christian Petzold

Aufbau eines chirurgischen Trainingssystems für die Operationstechnik T-PAL

Die Operation T-PAL (Synthesname) bzw. (geläufiger) TLIF beinhaltet die Einbringung eines Cages in den Bandscheibenraum, nachdem ein OP-Zugang gelegt und dieser Raum freigeräumt wurde (Entfernung des Gewebes und der (krankhaften) Bandscheibe). Dies geschieht mithilfe spezieller medizinischer Instrumente. Am wichtigsten dabei ist der sogenannte "Applikator", welcher in der Lage ist, den Cage aufzunehmen. Dadurch ist der Cage neigbar gelagert, d.h. der Operateur kann die Lage und Position des Cages auch im Körper des Menschen durch den Applikator noch verändern. Dadurch ist eine schonendere Einbringung möglich, was einerseits dem Patienten zugutekommt, andererseits den Vorgang der Operation für den Arzt vereinfacht. Die Prozedur geschieht unter ständiger fluoroskopischer Kontrolle, wodurch der Operateur aufgrund Röntgenmarker des Cages die aktuelle Lage und Position des Cages während der gesamten OP nachvollziehen kann.
Um nun diesen Vorgang möglichst lebensnah zu simulieren, wurde am ISTT Leipzig ein Modell der OP-Region (der Bandscheibe mit angrenzenden Lendenwirbeln L4 und L5) mittels 3D-Drucker hergestellt. Der "typische" OP-Zugang wurde per manueller Abtragung von "Knochenschichten" dieses Modells angelegt. Zur Durchführung der OP wurden die benötigten Instrumente von der Firma Synthes zur Verfügung gestellt. Eine der Hauptaufgaben bei der Simulation der OP war die Erstellung des Fluoroskopie-Bildes ohne den Einsatz eines CTs. Neben dem Erzeugen eines "realistischen" Bildes ist dabei die Hauptproblematik das Einfügen des Cages in das Bild. Da dieser normalerweise Röntgenmarker besitzt, wird er bei einem "herkömmlichen" Fluoroskopie-Bild ganz natürlich dargestellt. Die Röntgenmarker sind aber im Simulationsfall von keinem Nutzen. Deswegen muss die Position und Lage des Cages auf andere Weise bestimmt werden.
Dies geschieht durch den Einsatz von Tracking. Das Instrument, mit welchem der Cage eingebracht wird, der Applikator, kann optisch (d.h. unter Voraussetzung einer vorhandenen Sichtlinie) getrackt werden, da er stets außerhalb des Körpers ist und so nicht verdeckt wird. Unter Zuhilfenahme der rigiden Geometrie des Applikators kann also der Punkt bestimmt werden, an welchem der Cage am Applikator angebracht wurde (und welcher verdeckt ist). Um diesen Punkt rotiert der Cage (wird um ihn geneigt). Wenn nun der Applikator so eingestellt ist, dass der Cage sich nicht neigen kann, ist damit die endgültige Position des Cages bestimmt. Wenn der Cage allerdings neigbar eingestellt ist, sind weitere Berechnungen nötig. Diese machen sich den Fakt zunutze, dass der Cage bei (neigbarer) Einbringung in den Bandscheibenraum annähernd eine bestimmte Kurve abläuft. Dies passiert aufgrund am Cage angebrachter Schienen, die diese Kurve bis zu einem gewissen Grad vorgeben. Weiterhin wird die Position und Lage des Cages durch das Auftreffen auf Randgewebe der freigeräumten Bandscheibe verändert. Die Zusammenbringung dieser drei Faktoren in einem Modell ist das Hauptziel der Masterarbeit. Dadurch soll die Position und Lage des Cages während der simulierten OP ständig sichtbar sein und auf dem simulierten Fluoroskopie-Bild abgebildet werden.
Eingesetzt für die Verwirklichung dieses Ziels werden der NDI Optotrak Tracker (ein optischer Tracker) und Matlab. Durch Versehung des Applikators mit (kabelgebundenen) Markern kann die Position und Lage des Applikators bestimmt werden. Diese Lage steht relativ zum Volumenmodell des OP-Gebietes (dem Bandscheibenmodell), welches digital als Oberflächenmodell vorliegt und zu einem Volumenmodell transformiert wird. Die relative Lage des Applikators wird durch Registrierung des Modells bestimmt. Auf Basis der Lage kann dann der o.g. Algorithmus zur Bestimmung der Lage und Position des Cages ausgeführt werden. Ausgegeben wird ein ständiges Live-Bild der Lage und Position des Cages (mittels Matlab-Visualisierung).

Sarah Seifert

Visualisierung von Chromatin-Daten mittels k-means++-Clustering und Starplots

Die Epigenetik zählt zu den neueren Gebieten der genetischen Forschung. Dabei werden Modifikationen von Histonen durch zum Beispiel Methylgruppen untersucht und ausgewertet. Auf Grundlage einer neuen Einteilung des Genoms in Segmente sollen die Veränderungen dieser Modifikationen in der Zellentwicklung erforscht werden. Dazu habe ich im Rahmen meiner Bachelorarbeit ein Framework erweitert, das das Clustern der Daten anhand bestimmter Einstellungen veranlasst und das Ergebnis anschließend als Starplots dargestellt. Im Rahmen meines Vortrags möchte ich die Verfahren und Ergebnisse kurz vorstellen.

Sebastian Kiunke

Segmentierung von Aorta und Herzkammern auf 4D MRT-Bilddaten

4D Phasenkontrast MRT (4D MRT) ist ein bildgebendes Verfahren, das Bewegungen im lebenden Organismus detektieren kann. Die Segmentierung
blutführender Strukturen ermöglicht eine gezielte Analyse der Bewegungsinformationen, wodurch insbesondere Rückschlüsse über den Blutfluss gezogen werden können. Da die Morphologie in den 4D
MRT-Aufnahmen nur kontrastarm dargestellt wird, wurde zur Segmentierung ein deformierbares Modell gewählt, das nur auf den Flussinformationen basiert. Zur vierdimensionalen Segmentierung der Aorta wurde das deformierbare Modell um die zeitliche Dimension erweitert. Die vierdimensionale Segmentierung der Herzkammern erfolgte im Gegensatz durch ein sequentielles Verfahren. Aufgrund des dynamischen Innenleben
des Herzens, zeichneten sich in den Flussdaten keine klaren Abgrenzungen der Herzkammern ab, wodurch die Segmentierungsergebnisse nur teilweise plausibel erschienen. Für die Aorta konnten zufriedenstellende Ergebnisse erreicht werden.

Martin Reckziegel

Entwicklung einer Webanwendung zur nutzerbasierten Erstellung einer Route auf Basis von GPS-Daten

Im Rahmen meiner Diplomarbeit soll in Kooperation mit der Leipziger Firma absolutGPS eine Routingapplikation erstellt werden,
die speziell auf die Bedürfnisse von Fahrradfahrern zugeschnitten ist. Als Datengrundlage steht dabei eine Menge verrauschter GPS-Strecken zur Verfügung, die zunächst zu einem routenfähigen Straßennetz aggregiert werden muss. Auf Basis bereits existierender Arbeiten wird dazu ein neuartiger Ansatz vorgestellt, der zusätzlich vorhandene Informationen über die Untergrundbeschaffenheit in die Aggregation einbezieht. In diesem Vortrag möchte ich auf die Herausforderungen einer solchen Aufgabe eingehen und die entwickelte Webanwendung vorstellen.

Roxana Bujack

Invariante Momente

Durch Veränderung von Perspektive, Schärfe, Orientierung oder Position entsteht oft eine Diskrepanz zwischen optischer Wahrnehmung und Realität. Invariante Momente sind Größen, die sich von bestimmten Veränderungen nicht beeinflussen lassen und sich daher ausgezeichnet zur Beschreibung und dem Vergleich von Objekten eignen.