Anwendung computertomographischer Daten in Werkzeugen der Produktentwicklung

Die vorliegende Arbeit zeigt einen Prozess zur direkten Anwendung computertomographischer Daten in der Produktentwicklung. Grundlage bilden die nach der Erfassung und einer mathematischen Rekonstruktion generierten Schichtbildsequenzen. Dieser Prozess besteht aus zwei unabhängigen Umgebungen, einer CT- und einer CAD-Umgebung. Beide sind interaktiv über einen dritten Baustein der Überführung und Interpretation miteinander verbunden. Die CT-Umgebung dient zur Initialisierung, Visualisierung und Verwaltung der computertomographischen Daten. Die CAD-Umgebung bildet als etabliertes Werkzeug in der Produktentwicklung die systematische Basis zum modellieren und validieren der analytischen dreidimensionalen Modelldaten. Über eine bidirektionale Kommunikations- und Interaktionsebene ist es möglich, ausgehend vom CAD-System, Informationen aus den CT-Daten gezielt, variabel und nutzerspezifisch für mechanisch konstruktive Modellierungsprozesse zu generieren.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Problemstellung 1.3 Zielstellung 1.4 Aufbau der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 CT-Daten und deren Weiterverarbeitung 2.1.1 Allgemeines 2.1.2 Datenstruktur und Abbildungseigenschaften 2.1.3 Visualisierungsformen 2.1.4 Repräsentationsformen und Datenformate 2.1.5 Segmentierungsverfahren 2.1.6 Bestimmung charakteristischer Objektmerkmale 2.2 Methoden und Werkzeuge der Konstruktion 2.2.1 Übersicht 2.2.2 Modellierung auf Basis diskreter Oberflächen 2.2.3 Flächenrückführung 2.2.4 Direkte und parametrische Modellierung 2.2.5 Modellierung mit Bilddaten 2.3 Prozessuale und technische Analyse 3 Computertomographische Daten in der CAD-Umgebung 3.1 Das Konzept 3.1.1 Definition der Rahmenbedingungen 3.1.2 Anforderungen an die Prozesskette 3.1.3 Objektinformationen aus CT-Daten 3.1.4 Voraussetzungen in CAD-Systemen 3.2 Der Entwurf des Gesamtprozesses 3.3 Die Datenvorbereitung 3.3.1 Eingangsinformationen und Visualisierungsformen 3.3.2 Ausrichtung und Registrierung 3.3.3 Eingrenzen des Betrachtungsbereiches 3.4 Das Prinzip der Datenüberführung und Interpretation 3.5 Die Kommunikations- und Interaktionsebene 3.5.1 Methodenbeschreibung 3.5.2 Ergänzende Schnittansichten 3.5.3 Erstellen eines Freiformschnittes 3.5.4 Kontur- und Geometrieableitung 3.5.5 Partiell oberflächenbasierte Modellerstellung 4 Applikation und exemplarische Anwendung 4.1 Technische Realisierung 4.2 Beschreibung der Systemumgebung 4.3 Neukonstruktion eines individuellen Schädelimplantats 4.3.1 Anatomische Grundlagen 4.3.2 Problemstellung und Analyse 4.3.3 Modellierung 4.4 Anpassungskonstruktion des Räderwerkes einer historischen Taschenuhr 4.4.1 Technische Grundlagen 4.4.2 Problemstellung und Analyse 4.4.3 Modellierung 4.5 Auswertung 5 Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Zusammenfassung 5.2 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anlage

Simulation der Auswirkung von Veränderungen der anisotropen elektrischen Leitfähigkeit im Gewebe des menschlichen Gehirns auf die Elektroenzephalographie

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Gewebeveränderungen durch Tumoren, Ischämien und Ödeme auf die Ausbreitung elektrischer Felder im Gehirn und damit auf die Elektroenzephalographie (EEG). Die Ergebnisse erklären Beobachtungen aus jüngeren Tierstudien und erlauben Vorhersagen für Messungen beim Menschen. Die in einem Teilvolumenen mit der Finiten-Elemente-Methode simulierten elektrischen Potentiale weisen wegen der gestörten Anisotropie des Gewebes, und damit der Leitfähigkeit, in fast allen Fällen einen Anstieg der Magnitude an der Oberfläche auf – selbst im Fall der Ischämie, bei der die Leitfähigkeit rapide abfällt. Aus einem Dipol in einer Furche (Sulcus) resultieren höhere Oberflächenpotentiale als durch einen auf einem Hügel (Gyrus) liegenden, sich viel näher an der Oberfläche befindenden Dipol, und zwar dann, wenn die Leitfähigkeit des darunter liegenden Gewebes sehr gering wird, wie es bei realen anämischen Infarkten der Fall ist. Dies ist mit dem Wegfall der Anisotropie und dem „Shunting- Eekt“ zu erklären. Die Ergebnisse zeigen, dass pathologische Veränderungen bei der Evaluierung von EG-Signalen und vor allem bei einer EEG-basierten Analyse der Quellen stets beachtet werden müssen

Ultraschallbasiertes Navigationsverfahren für die minimal-invasive Chirurgie im Kopf-Hals-Bereich

In dieser Arbeit wird ein spezialisiertes Navigationsverfahren und ein entsprechender Prototyp vorgestellt, welches den besonderen Anforderungen der minimal-invasiven Chirurgie um Halsbereiche gerecht wird. Insbesondere die Abschätzung der intraoperativen Verschieblichkeit ist aufgrund der Patientenlagerung erforderlich. Dies wurde durch den Entwurf eines FEM-Weichgewebemodells berücksichtigt. Ein deformierbares Halsphantom wurde entworfen und gebaut, um das Verfahren zu prüfen

Patientenspezifische Planung für die Multi-Port Otobasischirurgie

Bisher werden Operationen im Bereich der seitlichen Schädelbasis (Otobasis) stark invasiv durchgeführt. Um die Traumatisierung für den Patienten zu reduzieren, wird seit kurzem ein Multi-Port Ansatz untersucht, bei dem bis zu drei dünne Bohrkanäle von der Schädeloberfläche bis zum Operationsziel angelegt werden. Aufgrund der Minimalinvasivität des neuen Eingriffs ist die visuelle Kontrolle durch den Chirurgen nicht mehr möglich. Somit ist eine präzise patientenspezifische Planung basierend auf Bilddaten zwingend erforderlich. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Planung eines Multi-Port Eingriffs basierend auf patientenspezifischen Modellen. Zur Generierung dieser Modelle habe ich zunächst Methoden für die Segmentierung der Risikostrukturen der Otobasis in Computertomographiedaten entwickelt. Die Herausforderungen dabei sind die geringe Größe der Strukturen, der fehlende Kontrast zum umliegenden Gewebe sowie die zum Teil variierende Form und Bildintensität. Daher schlage ich die Verwendung eines modellbasierten Ansatzes – das Probabilistic Active Shape Model – vor. Dieses habe ich für die Risikostrukturen der Otobasis adaptiert und intensiv evaluiert. Dabei habe ich gezeigt, dass die Segmentierungsgenauigkeit im Bereich der manuellen Segmentierungsgenauigkeit liegt. Ferner habe ich Methoden für die automatische Planung der Bohrkanäle basierend auf den durch die Segmentierung gewonnenen patientenspezifischen Modellen entwickelt. Die Herausforderung hierbei ist, dass der Multi-Port Eingriff noch nicht im klinischen Einsatz ist und somit Erfahrung mit der neuen Strategie fehlt. Daher wurde zunächst ein Planungstool zur Berechnung einer Menge von zulässigen Bohrkanälen entwickelt und die manuelle Auswahl einer Bohrkanalkombination ermöglicht. Damit haben zwei Ärzte eine erste Machbarkeitsanalyse durchgeführt. Die so gewonnene Erfahrung und Datenbasis habe ich formalisiert und ein Modell für die automatische Planung einer Bohrkanalkombination abgeleitet. Die Evaluation zeigt, dass auf diese Weise Bohrkanalkombinationen vergleichbar mit der manuellen Wahl der Ärzte berechnet werden können. Damit ist erstmals die computergestützte Planung eines Multi-Port Eingriffs an der Otobasis möglich