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Bio-medical data comes in various shapes and with different representations.
Domain experts use such data for analysis or diagnosis,
during research or clinical applications. As the opportunities to obtain
or to simulate bio-medical data become more complex and productive,
the experts face the problem of data overflow. Providing a
reduced, uncluttered representation of data, that maintains the data’s
features of interest falls into the area of Data Abstraction. Via abstraction,
undesired features are filtered out to give space - concerning the
cognitive and visual load of the viewer - to more interesting features,
which are therefore accentuated. To address this challenge, the dissertation
at hand will investigate methods that deal with Data Abstraction
in the fields of liver vasculature, molecular and cardiac visualization.
Advanced visualization techniques will be applied for this purpose.
This usually requires some pre-processing of the data, which will also
be covered by this work. Data Abstraction itself can be implemented
in various ways. The morphology of a surface may be maintained,
while abstracting its visual cues. Alternatively, the morphology may
be changed to a more comprehensive and tangible representation.
Further, spatial or temporal dimensions of a complex data set may
be projected to a lower space in order to facilitate processing of the
data. This thesis will tackle these challenges and therefore provide an
overview of Data Abstraction in the bio-medical field, and associated
challenges, opportunities and solutions.
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist die Absicherung der Qualität eines pharmazeutischen Produktionsprozesses durch die Überprüfung des Volumens mikroskopischer Polymerstäbchen mit einem hochgenauen 3D Messverfahren. Die Polymerstäbchen werden für pharmazeutische Anwendungen hergestellt. Aus Gründen der Qualitätssicherung muss das Istgewicht überprüft werden. Derzeit werden die Polymerstäbchen stichprobenartig mit einer hochpräzisen Waage gewogen. Für die nächste Generation von Polymeren wird angenommen, dass die Produktabmessungen weiter reduziert werden sollen und die Produktionstoleranzen auf 2,5% gesenkt werden. Die daraus resultierenden Genauigkeitsanforderungen übersteigen jedoch die Möglichkeiten der Wiegetechnik. Bei homogenen Materialien ist die Masse proportional zum Volumen. Aus diesem Grund kommt dessen Bestimmung als Alternative in Frage. Dies verschafft Zugang zu optischen Messverfahren und deren Flexibilität und Genauigkeitpotenzial. Für den Entwurf eines auf die Fragestellung angepassten Messkonzeptes sind weiterhin von Bedeutung, dass das Objekt kontaktlos, mit einer Taktzeit von maximal fünf Sekunden vermessen und das Volumen approximiert wird. Die Querschnitte der Polymerstäbchen sind etwa kreisförmig. Aufgrund der Herstellung der Fragmente kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Anlageflächen orthogonal zur Symmetrieachse des Objektes sind. Daher muss analysiert werden, wie sich kleine Abweichungen von kreisförmigen Querschnitten sowie die nicht idealen Anlageflächen auswirken. Die maximale Standardabweichung für das Volumen, die nicht überschritten werden sollte, beträgt 2,5%. Dies entspricht einer maximalen Abweichung der Querschnittsfläche um 1106 µm² (Fehlerfortpfanzung). Als Bewertungskriterium wird der Korrelationskoeffzient zwischen den gemessenen Volumina und den Massen bestimmt. Ein ideales Ergebnis wäre 100%. Die Messung zielt auf einen Koeffzienten von 98% ab. Um dies zu erreichen, ist ein präzises Messverfahren für Volumen erforderlich. Basierend auf dem aktuellen Stand der Technik können die vorhandenen optischen Messverfahren nicht verwendet werden. Das Polymerstäbchen wird von einer Kamera im Durchlicht beobachtet. Daher sind der Durchmesser und die Länge sichtbar. Das Objekt wird mittels einer mechanischen Vorrichtung um die Längsachse gedreht. So können Bilder von allen Seiten aufgenommen werden. Der Durchmesser und die Länge werden mit der Bildverarbeitung berechnet. Das neue Konzept vereint die Vorteile der Verfahren: Es ist unempfindlich gegen Farb-/Helligkeitsänderungen und die Bilder können in beliebiger Anzahl aufgenommen werden. Außerdem sind die Erfassung und Auswertung wesentlich schneller. Es wird ein Entwurf und die Umsetzung einer Lösung zur hochpräzisen Volumenmessung von Polymerstäbchen mit optischer Messtechnik und Bildverarbeitung ausgearbeitet. Diese spezielle Prozesslösung in der Prozesslinie (inline) sollte eine 100%ige Qualitätskontrolle während der Produktion garantieren. Die Zykluszeiten des Systems sollte fünf Sekunden pro Polymerstäbchen nicht überschreiten. Die Rahmenbedienungen für den Prozess sind durch die Materialeigenschaften des Objekts, die geringe Objektgröße (Breite = 199 µm, Länge = 935 µm bis 1683 µm) und die undeffinierte Querschnittsform (durch den Trocknungsprozess) vorgegeben. Darüber hinaus sollten die Kosten für den Prozess nicht zu hoch sein. Der Messaufbau sollte klein sein und ohne Sicherheitsvorkehrungen oder Abschirmungen arbeiten. Das entstandene System nimmt die Objekte in verschiedenen Winkelschritten auf, wertet mit Hilfe der Bildverarbeitung die Aufnahmen aus und approximiert das Volumen. Der Korrelationskoffizient zwischen Volumen und Gewicht beträgt für 77 Polymerstäbchen mit einem Gewicht von 37 µg bis 80 µg 99; 87%. Mit Hilfe eines Referenzsystems kann die Genauigkeit der Messung bestimmt werden. Die Standardabweichung sollte maximal 2,5% betragen. Das entstandene System erzielt eine maximale Volumenabweichung von 1,7%. Die Volumenvermessung erfüllt alle Anforderungen und kann somit als Alternative für die Waage verwendet werden.
3D-models are getting more important in many areas such as multimedia applications, robotics or film industries. Of particular interest is the creation of 3D-models from a series of monocular images. This is because the cameras that are required for this purpose are becoming cheaper, smaller and more sophisticated at the same time. Increasingly often, suitable cameras are already integrated in devices like smartphones, tablet PCs or cars for example. Hence, there is a great potential for applications of this reconstruction technique.
This thesis is based on the use of a series of images that were taken with arncalibrated camera. The first step is to extract point correspondences from this image series making use of the well-known SURF- and A-KAZE-features. Starting from the point correspondences, it is possible to reconstruct a 3D-Modell with different algorithms that consists of a point cloud and camera poses. To reduce errors in the 3D-model, this thesis especially focuses on explaining the bundle adjustment algorithm, which is being used for a non-linear error minimization of a cost function.
The thesis also introduces the application for the 3D-reconstruction and the visualization of the results, that was developed in the course of this thesis.
The implemented system is evaluated based on statistics and the newly aquiredrnknowledge is presented. The thesis concludes with a summary of its results, and a number of ideas for potential future applications and developments.
Today, augmented reality is becoming more and more important in several areas like industrial sectors, medicine, or tourism. This gain of importance can easily be explained by its powerful extension of real world content. Therefore, augmented realty became a way to explain and enhance the real world information. Yet, to create a system which can enhance a scene with additional information, the relation between the system and the real world must be known. In order to establish this relationship a commonly used method is optical tracking. The system calculates its relation to the real world from camera images. To do so, a reference which is known is needed in the scene to serve as an orientation. Today, this is mostly a 2D-marker or a 2D-texture. These are placed in the real world scenery to serve as a reference. But, this is an intrusion in the scene. That is why it is desirable that the system works without such an additional aid. An strategy without manipulating the scene is object-tracking. In this approach, any object from the scene can be used as a reference for the system. As an object is far more complex than a marker, it is harder for the system to establish its relationship with the real world. That is why most methods for 3D-object-tracking reduce the object by not using the whole object as reference. The focus of this thesis is to research how a whole object can be used as a reference in a way that either the system or the camera can be moved in any 360 degree angle around the object without loosing the relation to the real world. As a basis the augmented reality framework, the so called VisionLib, is used. Extensions to this system for 360 degree tracking are implemented in different ways and analyzed in the scope of this work. Also, the different extensions are compared. The best results were achieved by improving the reinitialization process. With this extension, current camera images of the scene are given to the system. With the hek of these images, the system can calculate the relation to the real world faster in case the relation went missing.
The mitral valve is one of four human heart valves. It is located in the left heart and acts as a unidirectional passageway for blood between the left atrium and the left ventricle. A correctly functioning mitral valve prevents a backflow of blood into the pulmonary circulation (lungs) and thus constitutes a vital part of the cardiac cycle. Pathologies of the mitral valve can manifest in a variety of symptoms with severity ranging from chest pain and fatigue to pulmonary edema (fluid accumulation in the tissue and air space of lungs), which may ultimately cause respiratory failure.
Malfunctioning mitral valves can be restored through complex surgical interventions, which greatly benefit from intensive planning and pre-operative analysis. Visualization techniques provide a possibility to enhance such preparation processes and can also facilitate post-operative evaluation. The work at hand extends current research in this field, building upon patient-specific mitral valve segmentations developed at the German Cancer Research Center, which result in triangulated 3D models of the valve surface. The core of this work will be the construction of a 2D-view of these models through global parameterization, a method that can be used to establish a bijective mapping between a planar parameter domain and a surface embedded in higher dimensions.
A flat representation of the mitral valve provides physicians with a view of the whole surface at once, similar to a map. This allows assessment of the valve's area and shape without the need for different viewing angles. Parts of the valve that are occluded by geometry in 3D become visible in 2D.
An additional contribution of this work will be the exploration of different visualizations of the 3D and 2D mitral valve representations. Features of the valve can be highlighted by associating them with specified colors, which can for instance directly convey pathology indicators.
Quality and effectiveness of the proposed methods were evaluated through a survey conducted at the Heidelberg University Hospital.