MR imaging of left-ventricular function : novel image acquisition and analysis techniques.

Many cardiac diseases, such as myocardial ischemia, secondary to coronary artery disease, may be identified and localized through the analysis of cardiac deformations. Early efforts for quantifying ventricular wall motion used surgical implantation and tracking of radiopaque markers with X-ray imaging in canine hearts [1]. Such techniques are invasive and affect the regional motion pattern of the ventricular wall during the marker tracking process and, clearly are not feasible clinically. Noninvasive imaging techniques are vital and have been widely applied to the clinic. MRI is a noninvasive imaging technique with the capability to monitor and assess the progression of cardiovascular diseases (CVD) so that effective procedures for the care and treatment of patients can be developed by physicians and researchers. It is capable of providing 3D analysis of global and regional cardiac function with great accuracy and reproducibility. In the past few years, numerous efforts have been devoted to cardiac motion recovery and deformation analysis from MR imaging sequences. In order to assess cardiac function, there are two categories of indices that are used: global and regional indices. Global indices include ejection fraction, cavity volume, and myocardial mass [2]. They are important indices for cardiac disease diagnosis. However, these global indices are not specific for regional analysis. A quantitative assessment of regional parameters may prove beneficial for the diagnosis of disease and evaluation of severity and the quantification of treatment [3]. Local measures, such as wall deformation and strain in all regions of the heart, can provide objective regional quantification of ventricular wall function and relate to the location and extent of ischemic injury. This dissertation is concerned with the development of novel MR imaging techniques and image postprocessing algorithms to analyze left ventricular deformations. A novel pulse sequence, termed Orthogonal CSPAMM (OCSPAMM), has been proposed which results in the same acquisition time as SPAMM for 2D deformation estimation while keeping the main advantages of CSPAMM [4,5]: i.e., maintaining tag contrast through-out the ECG cycle. Different from CSPAMM, in OCSPAMM the second tagging pulse orientation is rotated 90 degrees relative to the first one so that motion information can be obtained simultaneously in two directions. This reduces the acquisition time by a factor of two as compared to the traditional CSPAMM, in which two separate imaging sequences are applied per acquisition. With the application of OCSPAMM, the effect of tag fading encountered in SPAMM tagging due to Tl relaxation is mitigated and tag deformations can be visualized for the entire cardiac cycle, including diastolic phases. A multilevel B-spline fitting method (MBS) has been proposed which incorporates phase-based displacement information for accurate calculation of 2D motion and strain from tagged MRI [6, 7]. The proposed method combines the advantages of continuity and smoothness of MBS, and makes use of phase information derived from tagged MR images. Compared to previous 2D B-spline-based deformation analysis methods, MBS has the following advantages: 1) It can simultaneously achieve a smooth deformation while accurately approximating the given data set; 2) Computationally, it is very fast; and 3) It can produce more accurate deformation results. Since the tag intersections (intersections between two tag lines) can be extracted accurately and are more or less distributed evenly over the myocardium, MBS has proven effective for 2D cardiac motion tracking. To derive phase-based displacements, 2D HARP and SinMod analysis techniques [8,9] were employed. By producing virtual tags from HARP /SinMod and calculating intersections of virtual tag lines, more data points are obtained. In the reference frame, virtual tag lines are the isoparametric curves of an undeformed 2D B-spline model. In subsequent frames, the locations of intersections of virtual tag lines over the myocardium are updated with phase-based displacement. The advantage of the technique is that in acquiring denser myocardial displacements, it uses both real and virtual tag line intersections. It is fast and more accurate than 2D HARP and SinMod tracking. A novel 3D sine wave modeling (3D SinMod) approach for automatic analysis of 3D cardiac deformations has been proposed [10]. An accelerated 3D complementary spatial modulation of magnetization (CSPAMM) tagging technique [11] was used to acquire complete 3D+t tagged MR data sets of the whole heart (3 dynamic CSPAMM tagged MRI volume with tags in different orientations), in-vivo, in 54 heart beats and within 3 breath-holds. In 3D SinMod, the intensity distribution around each pixel is modeled as a cosine wave front. The principle behind 3D SinMod tracking is that both phase and frequency for each voxel are determined directly from the frequency analysis and the displacement is calculated from the quotient of phase difference and local frequency. The deformation fields clearly demonstrate longitudinal shortening during systole. The contraction of the LV base towards the apex as well as the torsional motion between basal and apical slices is clearly observable from the displacements. 3D SinMod can automatically process the image data to derive measures of motion, deformations, and strains between consecutive pair of tagged volumes in 17 seconds. Therefore, comprehensive 4D imaging and postprocessing for determination of ventricular function is now possible in under 10 minutes. For validation of 3D SinMod, 7 3D+t CSPAMM data sets of healthy subjects have been processed. Comparison of mid-wall contour deformations and circumferential shortening results by 3D SinMod showed good agreement with those by 3D HARP. Tag lines tracked by the proposed technique were also compared with manually delineated ones. The average errors calculated for the systolic phase of the cardiac cycles were in the sub-pixel range

Mixed physical and virtual design environments for digital fabrication

Digital Fabrication (3D printing, laser-cutting or CNC milling) enables the automated fabrication of physical objects from digital models. This technology is becoming more readily available and ubiquitous, as digital fabrication machines become more capable and affordable. When it comes to designing the objects that are to be fabricated however, there are still barriers for novices and inconveniences for experts. Through digital fabrication, physical objects are created from digital models. The digital models are currently designed in virtual design environments, which separates the world we design in from the world we design for. This separation hampers design processes of experienced users and presents barriers to novices. For example, manipulating objects in virtual spaces is difficult, but comes naturally in the physical world. Further, in a virtual environment, we cannot easily integrate existing physical objects or experience the object we are designing in its future context (e.g., try out a game controller during design). This lack of reflection impedes designer's spatial understanding in virtual design environments. To enable our virtual creations to become physical reality, we have to posses an ample amount of design and engineering knowledge, which further steepens the learning curve for novices. Lastly, as we are physically separated from our creation - until it is fabricated - we loose direct engagement with the material and object itself, impacting creativity. We follow a research through design approach, in which we take up the role as interaction designers and engineers. Based on four novel interaction concepts, we explore how the physical world and design environments can be brought closer together, and address the problems caused their prior separation. As engineers, we implement each of these concepts in a prototype system, demonstrating that they can be implemented. Using the systems, we evaluate the concepts and how the concepts alleviate the aforementioned problems, and that the design systems we create are capable of producing useful objects. In this thesis, we make four main contributions to the body of digital fabrication related HCI knowledge. Each contribution consists of an interaction concept which addresses a subset of the problems, caused by the separation of virtual design environment, and physical target world. We evaluate the concepts through prototype implementations, example walkthroughs and where appropriate user-studies, demonstrating how the concepts alleviate the problems they address. For each concept and system, we describe the design rationale, and present technical contributions towards their implementation. The results of this thesis have implications for different user audiences, design processes, the artifacts users design and domains outside of digital fabrication. Through our concepts and systems, we lower barriers for novices to utilize digital fabrication. For experienced designers, we make existing design processes more convenient and efficient. We ease the design of artifacts that reuse existing objects, or that combine organic and geometrically structured design. Lastly, the novel interaction concepts (and on a technical level, the systems) we present, which blur the lines between physical and virtual space, can serve as basis for future interaction design and HCI research

Towards markerless orthopaedic navigation with intuitive Optical See-through Head-mounted displays

The potential of image-guided orthopaedic navigation to improve surgical outcomes has been well-recognised during the last two decades. According to the tracked pose of target bone, the anatomical information and preoperative plans are updated and displayed to surgeons, so that they can follow the guidance to reach the goal with higher accuracy, efficiency and reproducibility. Despite their success, current orthopaedic navigation systems have two main limitations: for target tracking, artificial markers have to be drilled into the bone and calibrated manually to the bone, which introduces the risk of additional harm to patients and increases operating complexity; for guidance visualisation, surgeons have to shift their attention from the patient to an external 2D monitor, which is disruptive and can be mentally stressful. Motivated by these limitations, this thesis explores the development of an intuitive, compact and reliable navigation system for orthopaedic surgery. To this end, conventional marker-based tracking is replaced by a novel markerless tracking algorithm, and the 2D display is replaced by a 3D holographic Optical see-through (OST) Head-mounted display (HMD) precisely calibrated to a user's perspective. Our markerless tracking, facilitated by a commercial RGBD camera, is achieved through deep learning-based bone segmentation followed by real-time pose registration. For robust segmentation, a new network is designed and efficiently augmented by a synthetic dataset. Our segmentation network outperforms the state-of-the-art regarding occlusion-robustness, device-agnostic behaviour, and target generalisability. For reliable pose registration, a novel Bounded Iterative Closest Point (BICP) workflow is proposed. The improved markerless tracking can achieve a clinically acceptable error of 0.95 deg and 2.17 mm according to a phantom test. OST displays allow ubiquitous enrichment of perceived real world with contextually blended virtual aids through semi-transparent glasses. They have been recognised as a suitable visual tool for surgical assistance, since they do not hinder the surgeon's natural eyesight and require no attention shift or perspective conversion. The OST calibration is crucial to ensure locational-coherent surgical guidance. Current calibration methods are either human error-prone or hardly applicable to commercial devices. To this end, we propose an offline camera-based calibration method that is highly accurate yet easy to implement in commercial products, and an online alignment-based refinement that is user-centric and robust against user error. The proposed methods are proven to be superior to other similar State-of- the-art (SOTA)s regarding calibration convenience and display accuracy. Motivated by the ambition to develop the world's first markerless OST navigation system, we integrated the developed markerless tracking and calibration scheme into a complete navigation workflow designed for femur drilling tasks during knee replacement surgery. We verify the usability of our designed OST system with an experienced orthopaedic surgeon by a cadaver study. Our test validates the potential of the proposed markerless navigation system for surgical assistance, although further improvement is required for clinical acceptance.Open Acces

An image segmentation and registration approach to cardiac function analysis using MRI

Cardiovascular diseases (CVDs) are one of the major causes of death in the world. In recent years, significant progress has been made in the care and treatment of patients with such diseases. A crucial factor for this progress has been the development of magnetic resonance (MR) imaging which makes it possible to diagnose and assess the cardiovascular function of the patient. The ability to obtain high-resolution, cine volume images easily and safely has made it the preferred method for diagnosis of CVDs. MRI is also unique in its ability to introduce noninvasive markers directly into the tissue being imaged(MR tagging) during the image acquisition process. With the development of advanced MR imaging acquisition technologies, 3D MR imaging is more and more clinically feasible. This recent development has allowed new potentially 3D image analysis technologies to be deployed. However, quantitative analysis of cardiovascular system from the images remains a challenging topic. The work presented in this thesis describes the development of segmentation and motion analysis techniques for the study of the cardiac anatomy and function in cardiac magnetic resonance (CMR) images. The first main contribution of the thesis is the development of a fully automatic cardiac segmentation technique that integrates and combines a series of state-of-the-art techniques. The proposed segmentation technique is capable of generating an accurate 3D segmentation from multiple image sequences. The proposed segmentation technique is robust even in the presence of pathological changes, large anatomical shape variations and locally varying contrast in the images. Another main contribution of this thesis is the development of motion tracking techniques that can integrate motion information from different sources. For example, the radial motion of the myocardium can be tracked easily in untagged MR imaging since the epi- and endocardial surfaces are clearly visible. On the other hand, tagged MR imaging allows easy tracking of both longitudinal and circumferential motion. We propose a novel technique based on non-rigid image registration for the myocardial motion estimation using both untagged and 3D tagged MR images. The novel aspect of our technique is its simultaneous use of complementary information from both untagged and 3D tagged MR imaging. The similarity measure is spatially weighted to maximise the utility of information from both images. The thesis also proposes a sparse representation for free-form deformations (FFDs) using the principles of compressed sensing. The sparse free-form deformation (SFFD) model can capture fine local details such as motion discontinuities without sacrificing robustness. We demonstrate the capabilities of the proposed framework to accurately estimate smooth as well as discontinuous deformations in 2D and 3D CMR image sequences. Compared to the standard FFD approach, a significant increase in registration accuracy can be observed in datasets with discontinuous motion patterns. Both the segmentation and motion tracking techniques presented in this thesis have been applied to clinical studies. We focus on two important clinical applications that can be addressed by the techniques proposed in this thesis. The first clinical application aims at measuring longitudinal changes in cardiac morphology and function during the cardiac remodelling process. The second clinical application aims at selecting patients that positively respond to cardiac resynchronization therapy (CRT). The final chapter of this thesis summarises the main conclusions that can be drawn from the work presented here and also discusses possible avenues for future research

Influence of Tissue Conductivity Inhomogeneity and Anisotropy on EEG/MEG based Source Localization in the Human Brain

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG.Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\'uckstr\'ome im leitf\'ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\'arstr\'ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\'osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\'arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\'ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\'olkerung betroffen sind und f\'ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\'ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\'aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\'angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\'ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\'ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\'ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\'onnten L\'ahmungen, H\'or- und Sensibilit\'atsst\'orungen vermieden werden. Dazu werden \'uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \'uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\'osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\'uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\'ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\'ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\'osung des Vorw\'artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\'adel, die Zerebrospinalfl\'ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\'ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\'adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\'ahige spongi\'ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \'au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\'adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\'adel demnach eine richtungsabh\'angige oder {\em anisotrope} Leitf\'ahigkeit mit einem gemessenen Verh\'altnis von bis zu 1 zu 10. F\'ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \'ahnlichen Verh\'altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\'ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\'ugender Aufl\'osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\'ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \'uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\'urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\'ankte Mobilit\'at \'uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\'atze f\'ur die L\'osung des Vor\-w\'arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\'oht sich die Komplexit\'at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\'aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \'ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\'adel und das Gehirn repr\'asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\'achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\'ur isotrop leitf\'ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\'aten eingehen zu k\'onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\'ahigkeits-Anisotropien n\'otig und in welchen F\'allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\'onnen komplexe FE-Vorw\'artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\'ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\'ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \'Offnungen im Sch\'adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\'aten wie L\'asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\'adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\'assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\'arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\'at zweier ausgew\'ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\'adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\'ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\'at auf Sch\'adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\'artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\'osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\'onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\'atz\-liche Annahmen \'uber die Quellen sind dementsprechend unerl\'asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\'arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\'oglichst genau erkl\'art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\'osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \'Ubersch\'atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\'onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\'o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\'a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \'uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\'a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\'ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\'adelkante \'uber ein Gl\'atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\'ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\'atzte. \'Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\'ucksichtigung der MR-Inhomogenit\'aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\'adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\'attete Spongiosaoberfl\'ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\'ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\'oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \'uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\'adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\'a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\'oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\'artsproblems. Zun\'achst wurde ein \'Uberblick \'uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\'ater eingesetzten hochaufgel\'osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\'utzpunkte zur Gl\'attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\'ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\'ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\'osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\'osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\'oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\'ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\'ur hochaufgel\'oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \'Uber\-blick \'uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\'asentiert. Es wurde zun\'achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\'uhrt. F\'ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\'arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\'ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\'urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\'uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\'atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\'at} durchgef\'uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\'arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\'ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\'adelanisotropie einen nicht-vernachl\'assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\'o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\'ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\'ahigkeits\'anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\'usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\'achlich tangential orientierten oberfl\'achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\'uber einer 1 zu 10 Sch\'adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\'adel re\-la\-tiv d\'unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\'adel relativ dick) zu oberfl\'achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\'adelanisotropie in BE-Modellen \'uber eine Anpassung des skalaren Sch\'adelleitf\'ahigkeitswertes nicht m\'oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\'assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\'ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\'atzten Quellst\'arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\'ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\'achennahen Dipole, welche als Aktivit\'atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\'adel\-anisotropie als vernachl\'assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\'ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\'alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\'ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung

NASA Tech Briefs, February 1994

Topics covered include: Test and Measurement; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Machinery; Fabrication Technology; Mathematics and Information Sciences; Life Sciences; Books and Report

Model Validation and Simulation

The Bauhaus Summer School series provides an international forum for an exchange of methods and skills related to the interaction between different disciplines of modern engineering science. The 2012 civil engineering course was held in August over two weeks at Bauhaus-Universität Weimar. The overall aim was the exchange of research and modern scientific approaches in the field of model validation and simulation between well-known experts acting as lecturers and active students. Besides these educational intentions the social and cultural component of the meeting has been in the focus. 48 graduate and doctoral students from 20 different countries and 22 lecturers from 12 countries attended this summer school. Among other aspects, this activity can be considered successful as it raised the sensitivity towards both the significance of research in civil engineering and the role of intercultural exchange. This volume summarizes and publishes some of the results: abstracts of key note papers presented by the experts and selected student research works. The overview reflects the quality of this summer school. Furthermore the individual contributions confirm that for active students this event has been a research forum and a special opportunity to learn from the experiences of the researchers in terms of methodology and strategies for research implementation in their current work