Der ProLan-X - Sprachreport

Bei der Realisierung großer Software-Projekte treten immer wieder Probleme auf, was die Koordination der Mitarbeiter, die Ausnutzung der vorhandenen Ressourcen und nicht zuletzt die Qualität der erzeugten Produkte angeht. Um die Vorgänge bei der Produktion von Software durchschaubarer und verständlicher zu machen, versucht man, diese aus der Sicht von Meta-Modellen zu beschreiben. Dabei fließen die individuellen Rahmenbedingungen einer jeden Entwicklungsumgebung ein; die vorhandenen Ressourcen werden ebenso modellien wie die durchzuführenden Tätigkeiten und ihre Abhängigkeiten. Die Beschreibungssprache für den Software-Prozeß ProLan-X dient der (konkreten) Beschreibung der Bestandteile des Meta-Modells MoMo, das ebenfalls in dieser Arbeitsgruppe entwickelt wurde [Schramm]. Die am Projekt beteiligten Personen, Hardware- und Software-Ressourcen und ihre Aufgaben werden in möglichst natürlicher Weise verhaltensorientien beschrieben. Aus dieser Beschreibung kann eine Ablaufumgebung generien werden, die die Durchführung des Projekts unterstützt und protokolliert. Der vorliegende Bericht faßt die Eigenschaften der Sprache ProLan-X zusammen und erläuten ihre Verwendung. Er setzt das MoMo-Modell als bekannt voraus

Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

Werkzeuggestützte Individualisierung des objektorientierten Leitstands ooL

Die Einführung elektronischer Leitstände wird in zahlreichen Unternehmen durch die Notwendigkeit, die Software an unternehmensindividuelle Bedürfnisse anzupassen, z.T. erheblich erschwert und verteuert. Die Nutzung objektorientierte Softwaretechnologie ist eine Möglichkeit zur Verringerung des Anpassungsaufwands. Dieser Beitrag beschreibt die Individualisierungsmöglichkeiten des objektorientierten Leitstands "ooL". Anhand der Architektur des Systems werden die Anpassungen bezüglich der Oberfläche, des Objektmodells und der Datenbank beschrieben und anhand von Beispielen veranschaulicht.<br

Semi-implizite Co-Simulationsverfahren

Kurzfassung Co-Simulationsverfahren werden verwendet, um zwei oder mehrere Solver im Zeitbereich zu koppeln. Grundsätzlich können zwei Anwendungsfelder unterschieden werden. Einerseits wird Solver-Kopplung verwendet, um multidiziplinäre bzw. multiphysikalische Probleme zu lösen. Dabei werden Submodelle in Expertentools modelliert. Über geeignete Schnittstellen wird das Gesamtmodell dann mittels problemangepasster Kopplungsalgorithmen simuliert. Andererseits können Co-Simulationsansätze verwendet werden, um große (monodisziplinäre) Modelle im Zeitbereich zu parallelisieren. In dieser Arbeit werden semi-implizite Co-Simulationsmethoden vorgestellt und hinsichtlich Stabilität und Konvergenz analysiert. Dabei werden sowohl Verfahren für die Kopplung über Konstitutivgleichungen als auch Kopplungstechniken mittels algebraischer Bindungsgleichungen präsentiert. Die entwickelten Verfahren basieren alle auf einem Prädiktor/Korrektor-Ansatz, wobei im Rahmen dieser Arbeit aus Gründen der Rechenzeiteffizienz nur ein Korrektor-Schritt realisiert wird. Somit können die dargestellten Verfahren als semi-implizite Kopplungsmethoden angesehen werden. Im Vergleich zu expliziten Methoden weisen semi-implizite Kopplungsverfahren einen deutlich höheren Implementierungsaufwand auf. Zum einen müssen Jacobi-Matrizen für den Korrektor-Schritt berechnet werden, zum anderen muss jeder Makroschritt einmal wiederholt werden. Der große Vorteil der vorgestellten Kopplungsalgorithmen liegt in der deutlich verbesserten numerischen Stabilität

Intraoperative Visualisierung multimodaler Daten in der Neurochirurgie

Die Neurochirurgie als medizinisches Fachgebiet befasst sich mit der Erkennung und der (operativen) Behandlung von Pathologien des zentralen und peripheren Nervensystems. Dazu gehören unter anderem die operative Entfernung (Resektion) von Gehirntumoren und das Einsetzen von Neurostimulatoren bei Parkinson-patienten. In dieser Arbeit werden Beiträge zur computergestützten Behandlung von zerebralen Erkrankungen – Tumoren, Aneurysmen und Bewegungsstörungen – geleistet. Bei operativen Eingriffen zur Behandlung dieser zerebralen Erkrankungen muss eine exakte Planung vor der Operation erfolgen. Für die Volumen-bestimmung von zerebralen Erkrankungen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein graphbasierter Segmentierungsalgorithmus für kugelförmige und elliptische Objekte entwickelt. Außerdem ist ein effizienter geometrischer Ansatz für die präoperative Planung von Zugangswegen bei der tiefen Hirnstimulation ausgearbeitet worden. Weiterhin wurde der Workflow zur multimodalen Integration von Stoffwechselvorgängen – erzeugt mit Hilfe der 3 Tesla Protonen MR-Spektroskopie (1H-MRS) – in ein neurochirurgisches Navigationssystem realisiert. Alle Verfahren werden in der vorliegenden Arbeit im Detail vorgestellt und anhand von Patientendaten evaluiert. Außerdem werden die klinischen Prototypen präsentiert, die auf den Verfahren aufbauen

Ressourcenoptimierung von Workflow Problemen

Aktuelle Workflow Management Systeme sind in der Lage, die Durchlaufzeit einzelner Prozesse schon in der Planungsphase zu optimieren. Sie vernachlässigen jedoch eine Optimierung von Organisation und Infrastruktur. Dies gilt insbesondere für flexible Prozesse mit kontinuierlicher Versorgung. Eine Optimierung von Organisation und Infrastruktur wird aufgrund von wachsenden Prozessen bei zunehmender Komplexität notwendig. Dies betrifft vor allem die Wirtschaft, in der Zeit und Kapital eine wesentliche Rolle spielt. In dieser Arbeit wird ein constraintbasierter Lösungsansatz vorgestellt, der Organisation und Infrastruktur flexibler Systeme mit kontinuierlicher Versorgung an ein optimales Verhältnis von Kosten und Taktzeit approximiert. Die Implementierung basiert auf dem System Mozart und der Programmiersprache Oz

Ressourcenoptimierung von Workflow Problemen

Aktuelle Workflow Management Systeme sind in der Lage, die Durchlaufzeit einzelner Prozesse schon in der Planungsphase zu optimieren. Sie vernachlässigen jedoch eine Optimierung von Organisation und Infrastruktur. Dies gilt insbesondere für flexible Prozesse mit kontinuierlicher Versorgung. Eine Optimierung von Organisation und Infrastruktur wird aufgrund von wachsenden Prozessen bei zunehmender Komplexität notwendig. Dies betrifft vor allem die Wirtschaft, in der Zeit und Kapital eine wesentliche Rolle spielt. In dieser Arbeit wird ein constraintbasierter Lösungsansatz vorgestellt, der Organisation und Infrastruktur flexibler Systeme mit kontinuierlicher Versorgung an ein optimales Verhältnis von Kosten und Taktzeit approximiert. Die Implementierung basiert auf dem System Mozart und der Programmiersprache Oz

Entwicklung und Umsetzung eines Konzepts zur Modellierung von Qualitätsinformationen in einem Geschäftsprozessmodell

Die Modellierung von Geschäftsprozessen ist mittlerweile häufig einer der ersten Schritte bei der Entwicklung eines Softwaresystems und umfasst in erster Linie die Modellierung einer Reihe von fachlichen Aufgaben, welche das funktionale Verhalten des Systems beschreiben. Während eine umfassende Abdeckung bzgl. dieser funktionalen Anforderungen des Geschäfts besteht, werden nicht-funktionale, qualitätsbezogene Charakteristika des Prozesses in der Regel nicht identifiziert und systematisch erfasst. Jedoch handelt es sich bei der Erfassung dieser Qualitätsinformationen (QI) um einen wichtigen Aspekt bzgl. der dauerhaft optimalen Durchführung der Prozesse. Solche QI resultieren später in den nicht-funktionalen Anforderungen des geplanten Systems und werden oft erst zu einem späteren Zeitpunkt, nach der eigentlichen Geschäftsprozessmodellierung identifiziert und formuliert. Das kann jedoch dazu führen, dass Qualitätsanforderungen übersehen werden, eine inkonsistente Systemspezifikation entsteht und folglich die Entwicklung verzögert und kostspieliger wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nun ein Konzept zur Modellierung von QI in Geschäftsprozessmodellen entwickelt, dessen Anwendung hilft diese Probleme zu vermeiden. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen liegt dabei ein umfassendes Modell zur Definition der Qualität von Geschäftsprozessen zugrunde, welches neben groben Qualitätscharakteristiken auch detaillierte Qualitätsattribute und entsprechende Maßzahlen berücksichtigt. Weiterhin wird das entwickelte Konzept, als Erweiterung der Prozessmodellierungskomponente eines open-source CASE-Tools, prototypisch implementiert und im Rahmen einer Praxis-Studie evaluiert