Jahresbericht 2014 / Institut für Angewandte Informatik (KIT Scientific Reports ; 7697)

Im Jahresbericht 2014 des Instituts für Angewandte Informatik werden, nach einem kurzen Überblick über die Arbeiten, die Forschungsergebnisse dieses Jahres vorgestellt, die Einordnung erfolgt entsprechend der Zuordnung der Vorhaben zu den Programmen des Großforschungsbereichs des KIT. Es schließt sich ein Verzeichnis der im Berichtszeitraum erschienenen Publikationen des Instituts an

Automatische und interaktive Instrumentenverfolgung und Flussmessungen in der interventionellen Magnetresonanztomographie

Aufgrund des exzellenten Weichteilkontrastes, der dreidimensionalen Darstellung und funktionellen Messverfahren (z.B. Flussmessungen) bietet sich die Magnet-resonanz-tomographie für die Durchführung minimal invasiver Eingriffe mit Kathetern oder Biopsienadeln an. Ziel dieser Arbeit war es, einem Operateur die schnelle und sichere Platzierung eines Katheters in einem Blutgefäß zu ermöglichen. Hierfür wurde eine Methode zur Lokalisierung kleiner an die Katheter angebrachter Hochfrequenzspulen implementiert. Zur Darstellung der Positionen wurden zwei Strategien verfolgt. Ent-weder wurde eine kontinuierliche Positionsmessung (Zeitauflösung 20 ms) mit Mar-kierung auf einem zuvor aufgenommenen Übersichtsbild durchgeführt, oder die Posi-tionsmessung wurde mit schneller Bildgebung abgewechselt. Um dem Operateur die Arbeit am Tomographen zu erleichtern, wurde die zweite Strategie erweitert und eine automatische Nachführung der Schichtposition und -orientierung in die Mess-sequenz integriert. Ein vom Untersuchungsraum bedienbares Userinterface ermöglichte die Steuerung der wichtigsten Parameter. Um den Blutfluss im Gefäß darstellen zu können, wurde eine Flussmessung mit den Katheterspulen (Zeitauflösung 10,4 ms) entwickelt. Vergleichs-messungen bestätigten den Verlauf von Flusskurven im Tierversuch. Abwei-ch-ungen von Absolutwerten konnten durch Simulationen der Messungen, die das Sensi-tivitätsprofil der kleinen Spulen und die Dynamik der Magnetisierung berücksichtigen, erklärt werden. Mit Hilfe der automatischen Katheterverfolgung konnten 16 Nieren-embolisationen erfolgreich durchgeführt werden

Experimente mit dem Remote Atomic Force Microscope (RAFM)

In dieser Arbeit wird ein fernsteuer- und programmierbares Raster-Kraft Mikroskop (RAFM) vorgestellt. Das Ger¨at ist mit einer hochpr¨azisen Robotik ausger¨ustet, die es erlaubt, Proben automatisch und ferngesteuert mit einer Toleranz von weniger als 1.5 μm zu positionieren. Eine einfache Programmiersprache erlaubt es, das Instrument zu programmieren, um komplexe Messabl¨aufe automatisch ablaufen zu lassen. Neben der Beschreibung der entwickelten Hard- und Software, werden in der Arbeit Resultate aus programmierten Langzeitexperimenten auf AlO2 Sinterkeramik vorgestellt. In unterschiedlichen Reibungsexperimenten wurden Ver¨anderungen der Spitzengeometrie von bis zu sechsWinkelgrad gemessen. Dieser Verschleiss der Messspitze wird unter dem Aspekt der maximal m¨oglichen Abbildungsleistung diskutiert. In einer analytischen Betrachtung der Kontaktgeometrie von Spitze und Oberfl¨achen, wird ein Frequenzverhalten belegt, dass einem Tiefpass ¨ahnlich ist. Der Einsatz der Robotik als L¨angenaktuator im Mikrometerbereich erlaubt das automatische Akquirieren von sehr grossen Oberfl¨achenbereichen von bis zu 14 mm2 mit Aufl¨osungen bis 25 nm. Das Instrument verf¨ugt ¨uber eine kollaborativ ausgelegte Steuer- und Messsoftware, die eine dezentrale Bedienung des Ger¨ats ¨uber das Internet erlaubt. In Kombination mit einem aus der Luftfahrt stammenden Ausbildungskonzept stellt das RAFM eine optimale Plattform f¨ur die Ausbildung im Bereich der Nanotechnologie dar. In einer Usability Study mit unterschiedlichen Benutzern aus dem universit¨aren und gymnasialen Umfeld wird die hohe Qualit¨at des Ger¨ats als Lehrmittel best¨atigt

Werkzeuge zur Untersuchung des Hintergrundes von fluoreszierenden Kernspurdetektoren

Gegenüber der konventionellen Strahlentherapie besitzt die Strahlentherapie mit Schwerionen eine Reihe von Vorteilen, die in starken Schwankungen der Energiedeposition in kleinskaligen Bereichen begründet sind. Der auf Aluminiumoxidkristallen basierende fluoreszierende Kernspurdetektor, FNTD, hat sich als vielversprechend herausgestellt, um Untersuchungen in diesen Skalen (μm) zu führen. Jedoch zeigt dieser auch in unbestrahlten Bereichen eine signifikante Fluoreszenz (”Hintergrund“). Untersuchungen zur Größe und Variation dieses Hintergrundes waren bisher durch die umständliche Anwendung der zu diesem Zweck einsetzbaren Routinen beschränkt. Deshalb wurden in dieser Bachelorarbeit Softwarewerkzeuge zur automatisierten Untersuchung hierfür bereitgestellt, überprüft und an einem Datensatz angewendet. Die bereits implementierten Routinen wurden dabei für den automatisierten Gebrauch angepasst und in eine Skriptsprache übertragen. Die Überprüfungen ergaben, dass die bereitgestellten Werkzeuge gleiche Ergebnisse liefern wie die zugrundeliegenden Routinen und damit korrekt angepasst und übertragen wurden. Die Anwendung am Datensatz zeigte, dass das Hauptwerkzeug zur Bestimmung des Hintergrundes mit optimalen Einstellungen den Hintergrund von FNTDs zufriedenstellend bestimmen kann, die nicht oder mit leichten Teilchen bis einschließlich 24Mg bestrahlt wurden. Bei FNTDs, die mit schwereren Teilchen bestrahlt wurden, scheitert das Werkzeug jedoch aus Gründen, die zwar eingeschränkt aber nicht geklärt werden konnten

Konzept für Bildanalysen in Hochdurchsatz-Systemen am Beispiel des Zebrabärblings [Finale Version]

Bildbasierte Hochdurchsatz-Untersuchungen am Zebrabärbling setzen hohe Anforderungen an den Versuchsentwurf sowie die automatische Analyse und Interpretation. Die vorliegende Arbeit schlägt ein strukturiertes Verfahren vor und stellt neue Bildverarbeitungsmodule bereit. Die Kombination beider Teile bietet einen Lösungsweg, der Nutzsignale auswertbar macht, die Auslegung optimiert und somit Datenmenge, redundante Information, Arbeitsaufwand sowie Klassifikationsfehler reduziert

Konzept f\"ur Bildanalysen in Hochdurchsatz-Systemen am Beispiel des Zebrab\"arblings

With image-based high-throughput experiments, new challenges arise in both, the design of experiments and the automated analysis. To be able to handle the massive number of single experiments and the corresponding amount of data, a comprehensive concept for the design of experiments and a new evaluation method is needed. This work proposes a new method for an optimized experiment layout that enables the determination of parameters, adapted for the needs of automated image analysis. Furthermore, a catalogue of new image analysis modules, especially developed for zebrafish analysis, is presented. The combination of both parts offers the user, usually a biologist, an approach for high-throughput zebrafish image analysis, which enables the extraction of new signals and optimizes the design of experiments. The result is a reduction of data amount, redundant information and workload as well as classification errors

Das Kiefergelenk

Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, den trabekulären Aufbau des menschlichen Caput mandibulae darzustellen und anhand der knöchernen Struktur Rückschlüsse auf die stattgefundene Belastung zu ziehen. Mit zunehmendem Alter und dem Verlust der Zähne nimmt die Kaufunktion ab. Damit sollte auch eine Veränderung -Verringerung- der Belastung der Kondylen einhergehen. Aus diesem Grund wurden die Kondylen von Bezahnten und Zahnlosen gewählt, um zwei möglichst unterschiedliche Belastungssituationen wiederzugeben. Mittels des µCT wurden die Kondylen in toto analysiert und die strukturellen trabekulären Parameter erhoben, sowie dreidimensionale Rekonstruktionen erstellt. Nach den Ergebnissen dieser Untersuchung scheint eine durchaus hohe Belastung im menschlichen Kiefergelenk gegeben zu sein. Entgegen aller Annahmen bleibt auch bei den unbezahnten Präparaten die Kiefergelenkstruktur belastet. Die Belastung scheint jedoch anders verteilt als bei noch vorhandener Bezahnung. Dieser Schluss konnte aus dem Unterschied im Anisotropiegrad gezogen werden. Durch vereinfachte Kaumuster und dadurch weniger Variation in der Belastungsrichtung erscheint die Struktur der Kondylen von zahnlosen Mandibeln weniger anisotrop. Da sich die trabekuläre Struktur bei vier Gelenkpaaren als verändert herausstellte, wurden diese getrennt von den anderen betrachtet. Bei diesen konnten neben exophytischen Aufwerfungen an der Gelenkoberfläche und Verdickungen der Kompakta auch bei der Mikrostruktur der trabekulären Zone Unterschiede beobachtet werden. Verdickungen der vorhandenen Trabekel führten bei gleich bleibender Trabekelanzahl zu einer Erhöhung der Packungsdichte. Auch auf die Substantia compacta und deren Dicke im mittleren Kondylenanteil in antero-posteriorer Richtung wurde näher eingegangen. Beim Vergleich der Ergebnisse der Kompaktadicke und der Parameter der trabekulären Knochenschicht direkt darunter konnten keine Übereinstimmungen gefunden werden. Die dreidimensionalen Rekonstruktionen der Kondylen wurden für eine Bewertung der makroskopischen Form der Gelenkköpfe herangezogen. Dabei konnte festgestellt werden, dass eine große Formvielfalt gegeben ist. Die Unterschiede zur Grundform werden als Zeichen stetig stattfindender Anpassung bewertet. Die klinische Relevanz dieser Untersuchung liegt zwar nicht in der Verbesserung chirurgischer Verfahren und auch nicht in der Verhinderung von krankhaften Veränderungen am Kondylus. Die Ergebnisse können aber dazu beitragen, das Wissen über diese Gelenkstruktur zu erweitern und damit zur Klärung des Problemkreises Kiefergelenk und seiner Dysfunktionen beisteuern

Simulation der Entstehung von Versetzungsstrukturen am Beispiel von AlMg5Mn

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Semantische Umgebungserfassung auf Basis von Radar-Merkmalskarten

Moderne Fahrerassistenzsysteme und autonomes Fahren benötigen eine detaillierte Umgebungserfassung. Neben einer präzisen Beschreibung von Form und Zustand der umgebenen Objekte, ist auch ein immer besseres semantisches Verständnis der Situation erforderlich. Die Anforderungen der funktionalen Sicherheit führen dazu, dass diese oft nur durch Redundanz erreicht werden können. Für Systeme zur semantischen Klassifizierung von Objekten werden heutzutage hauptsächlich optische Sensoren verwendet. Obwohl die Anzahl der im Fahrzeug verbauten Radare immer weiter steigt und die Messeigenschaften jedes einzelnen Sensors sich in Auflösung, Genauigkeit und Sensitivität beständig verbessern, leistet der Radarsensor heutzutage nur einen geringen Beitrag zur Semantik. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Potential des Radarsensors zur semantischen Umgebungserfassung für das statische Fahrzeugumfeld untersucht. Ausgehend von Radar-Detektionen untersucht diese Arbeit die gesamte Verarbeitungs- und Entwicklungskette eines Klassifikationssystems für Radar. Anhand eines großen Datensatzes wird gezeigt, dass die Klassifikation der statischen Welt vielversprechende Ergebnisse erzielt und dass durch gezielte Anpassungen der Algorithmen die Resultate deutlich verbessert werden können

Separation und Rekonstruktion funktionaler Elemente im Zentral-Nervensystem

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Lücke im methodischen Spektrum neurobiologischer Methoden zu schließen. Es ist heute möglich, das Gehirn auf unterschiedlichen Ebenen zu beschreiben. Es stehen jedoch keine Methoden zur Verfügung, um die Anordnung der Zellen innerhalb eines Nukleus quantitativ zu beschreiben. Die Anzahl und die Anordnung der Zellen ist jedoch eine essentielle Voraussetzung, um die Funktion eines Nukleus zu verstehen. Das hier vorgestellte Verfahren zur Rekonstruktion eines Nukleus basiert auf Nissl-gefärbten Semidünnschnitten der Medialen Superioren Olive (MSO) der Wüstenrennmaus Meriones ungiuculatus. Diese werden mit einer Digitalkamera lichtmikroskopisch aufgenommen und bilden die Basis der Rekonstruktion. In einem ersten Schritt werden innerhalb einer Schnittebene mehrere Einzelbilder patchworkartig zu einem Image Mosaic zusammengefügt. Durch diesen Schritt ist die Auflösung innerhalb einer Schnittebene praktisch unbegrenzt. Das Verfahren beinhaltet mehrere Kontrollmechanismen und funktioniert praktisch fehlerfrei. Danach werden die Bilder farblich korrigiert und mit Methoden der Mustererkennung werden die Zellkerne extrahiert. Die Extraktion der Zellkerne steht in ihrer Qualität einer manuellen Extraktion in nichts nach. Die Zellkerne dienen als Grundlage für den Archimedes-Alignment-Algorithmus, der die Schnittserie in einen dreidimensionalen Bezug setzt, indem aufeinander folgende Schnitte aneinander ausgerichtet werden. Auch dieses Verfahren beinhaltet eine Kontrolle und funktioniert fehlerfrei. Aus diesen Daten kann dann eine Rekonstruktion erstellt werden. Diese wird weiter ausgewertet und ergibt schließlich ein dreidimensionales Abbild des untersuchten Bereichs. Sämtliche Verfahrensschritte arbeiten entweder fehlerfrei oder mit einer nur sehr geringen Fehlerrate. Somit stellt dieses Verfahren eine robuste, effiziente und universell anwendbare Möglichkeit für die umfassende Analyse der Neuronenverteilung im ZNS dar. Das Verfahren eröffnet die Möglichkeit, Nuklei dreidimensional zu untersuchen, bietet aber auch einen Ansatzpunkt um mittels histologischer Daten weiteres Datenmaterial (etwa elektrophysiologischer oder morphologische Daten) zu integrieren