Entwurf von Computational-Imaging-Systemen am Beispiel der monokularen Tiefenschätzung

Computational-Imaging-Systeme kombinieren optische und digitale Signalverarbeitung um Information aus dem Licht einer Szene zu extrahieren. In dieser Arbeit wird das Raytracing-Verfahren als Simulationswerkzeug genutzt, um Computational-Imaging-Systeme ganzheitlich zu beschreiben, bewerten und optimieren. Am Beispiel der monokularen Tiefenschätzung wird die Simulation mit einem realen Prototyp einer Kamera mit programmierbarer Apertur verglichen und die vorgestellten Methoden evaluiert

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

Medienkombinatorik für selektive Interface-Kulturen: Alternativen zu Paradigmen-geleiteten HCI-Entwicklungen

"Die langjährige Beschäftigung mit der Geschichte und Gegenwart von Interfaces und Interaktionsstilen von Informations- und Kommunikationstechniken in der Forschung und vor allem in der Lehre in der Elektrotechnik und Informatik vermittelte mir Einsichten, die die meist nur mit kurzen Zeithorizonten arbeitenden technisch-wissenschaftlichen Disziplinen nicht bieten. Die Langzeitperspektive ermöglicht konkretere Einblicke in die spezifische Entwicklungsdynamik von Bedienphilosophien und Bauweisen der Interfaces als die in der Human-Computer Interaction (HCI) stark verbreiteten schematischen Entwicklungsphasenmodelle. Denn die HCI ist eine von vielen Faktoren abhängige Gestaltungsdisziplin, die weder einem szientistischen Stufenkonzept folgt noch einer klar definierbaren technischen, ökonomischen, sozialen oder kulturellen Eigenlogik unterliegt. Betrachtet man dagegen Positionspapiere der HCICommunity auf Fachtagungen und theoretische Grundsatzartikel in den Fachzeitschriften über einen längeren Zeitraum, so zeigt sich sehr deutlich, dass Erweiterungen des Designraums der HCI regelmäßig zu Neuformulierungen von Entwicklungsgesetzen führen, die die neue modale Qualität als logischen nächsten Schritt oder gar Zielpunkt der Entwicklung deklarieren (vgl hierzu Hellige 2008b, Kap. 1). Ich werde dies in einem ersten Abschnitt anhand von früheren und aktuellen Beispielen demonstrieren und dabei zugleich in einem Zeitraffer den Wandel der Entwicklungsschwerpunkte der HCI skizzieren. Im zweiten Abschnitt möchte ich dann zeigen, dass Entwicklungsrichtungen in der HCI durchaus widersprüchlich sind, so dass von einer verbindlichen Entwicklungslogik nicht die Rede sein kann. Vielmehr mischen neue Interfaces und Medien den jeweiligen technischen Mix neu auf, sie setzen die bestehenden Interface- und Medienkulturen aber nicht außer Kraft. Im dritten Abschnitt wird anstelle des Denkens in Phasenmodellen und vorgegebenen Entwicklungsrichtungen eine medienkombinatorische Betrachtungsweise empfohlen und in Ansätzen vorgeführt. Der letzte Abschnitt stellt aufschlussreiche Beispiele von auf universellen HCI-Paradigmen basierenden und medienkombinatorisch angelegten Design-Konzepten gegenüber." (Autorenreferat

Evolutionäre Organisationsformen und deren Auswirkungen auf die intrinsische Motivation der Generation Y

Die Lebensdauer von Organisationen hat sich in den letzten Jahren stark reduziert. Mögliche Gründe liegen in der Digitalisierung sowie der fortschreitenden Globalisierung. Weiter haben sich das Tempo, in welchem Entscheidungen zu treffen sind, sowie die Komplexität der Abläufe stark erhöht. All dies erschwert Prognosen über die zukünftige Entwicklung. Mit der steigenden Komplexität verändert sich auch der Einfluss von Führungskräften. In komplexen Situationen verliert ihre Stellung an Bedeutung und sie sind vermehrt auf das exklusive Wissen der Mitarbeiter angewiesen. Ausserdem ist mit der sogenannten Generation Y eine neue Generation auf den Arbeitsmarkt gedrungen, deren Bedürfnisse sich grundlegend von vorhergegangenen Mitarbeitergruppen unterscheiden. Ihre Vertreter sind mit der aktuellen Form von Organisationen unzufrieden und 66 Prozent von ihnen planen in den nächsten drei Jahren, die Stelle zu wechseln. Die vorliegende Arbeit wurde im Auftrag des Zentrumsdepartements Strategie & Operations der ZHAW erstellt. Diese Bachelorarbeit untersucht evolutionäre Organisationsstrukturen und erforscht dabei, ob die Bedürfnisse der Generation Y dort besser befriedigt werden können als in klassischen Strukturen. Zudem wird untersucht, ob die intrinsische Motivation der Generation Y durch solche Strukturen gesteigert werden kann. Methodisch wurde so vorgegangen, dass zunächst eine ausführliche Literaturrecherche erfolgte, aus der drei Hypothesen abgeleitet wurden. Im Anschluss wurden die Hypothesen anhand einer qualitativen Untersuchung überprüft. Dazu wurden insgesamt fünf Experteninterviews mit explorativem Charakter durchgeführt, wobei ausschliesslich Experten befragt wurden, welche über exklusives Wissen in den Bereichen evolutionäre Organisationen sowie Generation Y verfügen. Für die Beurteilung der intrinsischen Motivation wurde das Job-Characteristics-Modell von Hackman und Oldham herangezogen

Orientierung und Analyse der Morphologie von Purpurmembran Monolagen – Wege zur Membranfusion

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Erkenntnisse gewonnen, die die Strukturierung von Purpurmembranen auf festen Substraten ermöglichen. Dazu zählen die Erforschung der Morphologie von PM auf unterschiedlichen Substraten, die Orientierung der Membranen und die Fusion von PM zur Gewinnung von ausgedehnten PM-Monolagen. Die Krümmung der BR-Mutanten D85N und D85T in alkalischen Lösungen wurden mittels AFM und Kraftspektroskopie untersucht. Dabei konnte die Theorie bestätigt werden, nach der die Membrankrümmung auf die Konformationsänderung des BR während des Photozyklus zurückzuführen ist. Durch Kraftspektroskopie wurde die Biegungsrichtung der D85X-Membranen identifiziert und gezeigt, dass die Kräfte, die zur Biegung der Membranen führen größer sind als die Kräfte zwischen PM und Oberfläche. Eine neue Methode zur orientierten Immobilisierung von PM auf einer Oberfläche wurde in dieser Arbeit entwickelt. Die BR-Mutante Q3C wurde auf Goldsubstraten angebunden. Q3C-PM konnte nur mit seiner extrazellulären Seite eine Bindung zur Goldoberfläche eingehen, da der N-Terminus nur von dieser Seite zugänglich war. Die entgegengesetzt liegenden PMs konnten entfernt werden, so dass eine orientierte PM-Monolage erhalten wurde. Durch Einzelmolekül Kraftspektroskopie konnten die Seiten der angebundenen Q3C-PM identifiziert werden. Die Ergebnisse ließen auf einen hohen Grad an Orientierung der PMs schließen. Die an BR-Q3C aufgenommenen Kraftkurven zeigten einen zusätzlichen Peak, der durch die Gold-Cystein-Bindung verursacht wurde. Die Entfaltung der Helix A konnte so erstmals kraftspektroskopisch analysiert werden. Ein weiteres Ergebnis ergab sich aus der Analyse der Kraftkurven: Bei einem Teil der BR-Monomere wurden die α-Helices nicht paarweise entfaltet. Diese Kraftkurven resultierten aus dem Entfalten der Helices A-C in einem simultanen Prozess. Zur Fusion von PM auf Oberflächen wurde der Einfluss verschiedener Substrate auf die Morphologie der PM untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Glimmer große Auswirkungen auf die adsorbierten Biokomponenten hat. Es zeigte sich bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen eine fortschreitende Denaturierung der PMs von ihren Rändern aus. Diese Denaturierung kann auf Wechselwirkungen mit dem Substrat zurückgeführt werden, da PM in Suspension unter denselben Bedingungen stabil ist. Die Denaturierung konnte mit molekularer Auflösung und zeitaufgelöst beobachtet werden. Durch Modifikation der Glimmeroberfläche mit Polyasparaginsäure konnte die Denaturierung verringert werden. Auch die Substrate Gold und Silicium hatten einen geringeren denaturierenden Effekt. Sowohl der modifizierte Glimmer als auch Gold und Silicium waren nur spärlich mit PM belegt. Die auf die PM wirkenden Kräfte können einerseits zur Denaturierung der Probe führen, sind aber andererseits notwendig, um die PM auf der Oberfläche zu halten. Es zeigte sich, dass nur auf unbehandelten Glimmeroberflächen ein Belegungsgrad mit PM erreicht wurde, der eine Fusion der Purpurmembranen zu einer durchgehenden Monolage ermöglicht. Gebleichte Purpurmembranen wurden auf Glimmer abgeschieden und mit Retinal regeneriert. Diese Vorgehensweise führte zu einer polykristallinen Monolage. Die kristallinen Bereiche wurden durch AFM-Untersuchungen mit molekularer Auflösung abgebildet. Dabei zeigte sich, dass die Bereiche zueinander verdrehte Orientierungen ihrer Kristallstruktur aufwiesen. Zeitaufgelöste Analysen zeigten die Beweglichkeit der Bereiche innerhalb der Membran. Verbesserte Methoden zur Regeneration von PM auf Glimmeroberflächen wurden entwickelt, indem mehrere Faktoren, die auf die Regeneration der Membranen einwirkten untersucht wurden. Es stellte sich heraus, dass das Ethanol, das als Lösungsmittel des Retinals verwendet wurde, einen denaturierenden Effekt auf die Membranen hatte. Die Regeneration ohne Retinalzugabe führte zu kristallinen Bereichen mit einer Ausdehnung von mehreren hundert Nanometern. Durch die verbesserte Regeneration wurde ein Anteil an regenerierten Bereichen von ca. 2/3 der mit PM belegten Fläche erreicht. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse sind für viele Anwendungen von BR relevant, in denen eine Orientierung von PM oder ein Kontakt von PM-Monolagen mit einem Substrat nötig ist. Ein Lösungsansatz für das Problem der Denaturierung von PM wurde durch die Beeinflussung der Oberflächenwechselwirkungen gefunden. Neben der Denaturierung sind jedoch auch der Belegungsgrad und die Desorption der Membranen zu beachten. Generell muss für Schnittstellen zwischen Biomolekülen und herkömmlicher Technik ein geeignetes Substrat gewählt werden, indem alle diese Faktoren berücksichtigt werden. Weitergehende Untersuchungen der komplexen Wechselwirkungen an Oberflächen sind für viele Bereiche der Biotechnologie von Interesse – auch eine weitere Verbesserung der Fusion von PM könnte von den gewonnenen Erkenntnissen profitieren

Image processing for correlative light and electron microscopy

People have never stopped exploring the microscopic world. Studying the microstructure of cells helps people better understand the people themselves and has the potential to overcome specific diseases at a fundamental level. Correlative light and electron microscopy (CLEM) can let people intuitively understand the sample information through imaging. In CLEM measurements, samples are measured in both fluorescence microscopy and electron microscopy. Due to technical differences between LM and EM, images obtained from LM and EM contain different information. With the fluorescent labels, one can easily observe the structures of interest. However, due to the diffraction limit, LM image resolution is limited to a few hundred nanometers. EM images can capture the detailed structure of a sample down to the atomic level. However, grayscale images obtained from EM often contain very complex structures. Identifying structures of interest from these complex structures using only EM images is usually a challenge. The CLEM technology provides an opportunity to specify the structures of interest by comparing the CLEM images. However, due to the resolution difference between LM and EM, these structures are usually still not directly distinguishable by simply overlaying the fluorescence microscopy images on high-resolution grayscale electron microscopy images. This thesis aims to investigate a new deconvolution algorithm, EM-guided deconvolution, to automate fusing the LM information on the correlative EM image. We discuss the algorithm with simulated CLEM images and further apply it to experimental data sets. The algorithm can enhance the image resolution to nanometers from correlative wide-field (or confocal) fluorescence microscopy images. The algorithm can effectively recognise, e.g., membrane structures or identify the structures with a suitable point spread function and precise image registration

Prä- und postoperative Segmentierung und virtuelles Stenting von Aneurysmen und Stenosen

Die medizinische Bildverarbeitung hat in den letzten Jahren sehr an Bedeutung gewonnen, vor allem in den verschiedenen Phasen der Behandlung somatischer Erkrankungen. Bei Diagnose, Monitoring, Therapieplanung und Durchführung bis zur Kontrolle werden medizinische Entscheidungen durch Computer unterstützt. In dieser Arbeit werden Beiträge zur computergestützten Behandlung von Gefäßerkrankungen – krankhafte Gefäßerweiterungen (Aneurysmen) und krankhafte Gefäßverengungen (Stenosen) – geleistet. Es wird bei operativen Eingriffen zur Behandlung dieser Gefäßerkrankungen zwischen zwei Verfahren unterschieden: der offenen und der minimal-invasiven (endovaskulären) Operation bzw. Behandlung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der computergestützten Optimierung von endovaskulären Behandlungen. Im Fall einer endovaskulären Behandlung ist es besonders wichtig, anhand der kritischen Patientendaten eine geeignete Prothese (Stent) möglichst akkurat und in kürzester Zeit auszuwählen. Dabei muss die Auswahl vor dem Eingriff erfolgen (präoperativ), da der Stent während der Operation nicht mehr ohne eine offene Operation gewechselt werden kann. Ist ein Stent eingesetzt, sind regelmäßige Nachuntersuchungen erforderlich, um zum Beispiel das Auftreten von Löchern in der Prothese (Endoleaks) oder das Verschieben der Prothese (Stent Migration) rechtzeitig zu erkennen. Für die einzelnen Phasen von Diagnose, Therapieplanung und Kontrolle einer Gefäßerkrankung werden in dieser Dissertation verschiedene Methoden zur Segmentierung entwickelt und vorgestellt. Mit ihnen ist es möglich, Aneurysmen und Stenosen vor und nach einem operativen Eingriff zu überwachen und den behandelnden Arzt bei diesen zum Teil sehr zeitaufwendigen Prozeduren zu unterstützen. Die unterschiedlichen Segmentierungsmethoden basieren auf den Verfahren der Aktiven Konturen, Active Appearance Models sowie einem graphbasierten Ansatz. Dabei hat der graphbasierte Ansatz die besten Ergebnisse geliefert, ein Prototyp zur klinischen Evaluation wurde bereits realisiert. Die Behandlungsplanung wiederum wird durch eine rechnergestützte Simulation von Stents (virtuelles Stenting) vor dem Eingriff optimiert. Im derzeitigen klinischen Alltag wird ein Stent anhand von CT-Aufnahmen ausgewählt. Mit dem virtuellen Stenting aus dieser Arbeit können verschiedene Stents zusätzlich in den realen Patientendaten aus der klinischen Routine simuliert werden. Dabei wird ersichtlich, ob der ausgewählte Stent die passenden Dimensionen hat und bei der Operation zum Einsatz kommen sollte. Die Stent-Simulation beruht auf dem Verfahren der Aktiven Konturen im Dreidimensionalen und ist sowohl für nicht verzweigte als auch für verzweigte Stents (Y-Stents) geeignet. Unter anderem werden für eine realistische Simulation, die bei Y-Stents auftretenden Kollisionskräfte in der Verzweigung berücksichtigt. Außerdem wurde ein Ansatz für das virtuelle Stenting im Karotisbereich entwickelt, der ein elastisches Verhalten der Gefäßwand bei einer Stent-Expansion modelliert. Weiterhin ist im Bereich der rechnergestützten Simulation ein Verfahren zur Simulation eines Katheterpfades entstanden. Der Katheterpfad wird hierbei in zwei Schritten bestimmt. In einem ersten Schritt wird ein initialer Pfad mit einem modifizierten Dijkstra-Algorithmus zur Bestimmung des kürzesten Pfades zwischen zwei Punkten berechnet. In einem zweiten Schritt wird dann dieser Pfad mit einem Aktiven Konturmodell innerhalb des Gefäßes ausgerichtet. Diese verschiedenen Verfahren werden in der vorliegenden Arbeit im Detail vorgestellt und anhand von Phantomdaten und realen Patientendaten evaluiert. Außerdem werden die klinischen Prototypen präsentiert, die auf den Verfahren aufbauen

Wirklichkeitserzählungen als narrative Netzwerke.: Polyphone Erzählprozesse im virtuellen Raum als gemeinschaftsbildende Erfahrungsbewältigung

During the Covid-19 crisis, participatory, co-creative narrative projects emerged which tried to open spaces for coping with the experiences of the pandemic. Digital networked media offered a means not only to document and archive everyday stories, but also to create virtual communities. This article transfers concepts from narrative theory such as ‘polyphony’ and ‘networked narrative’ and applies them in analysing two paradigmatic projects: Corona Diaries, an audio-based database, and Corona Haikus, launched as a Facebook group for visual poetry. Though different as to their specific medial affordances, these projects reveal the potential of collective narrative processes to deal with otherwise ungraspable cataclysmic times

Wirklichkeitserzählungen als narrative Netzwerke. Polyphone Erzählprozesse im virtuellen Raum als gemeinschaftsbildende Erfahrungsbewältigung

During the Covid-19 crisis, participatory, co-creative narrative projects emerged which tried to open spaces for coping with the experiences of the pandemic. Digital networked media offered a means not only to document and archive everyday stories, but also to create virtual communities. This article transfers concepts from narrative theory such as ‘polyphony’ and ‘networked narrative’ and applies them in analysing two paradigmatic projects: Corona Diaries, an audio-based database, and Corona Haikus, launched as a Facebook group for visual poetry. Though different as to their specific medial affordances, these projects reveal the potential of collective narrative processes to deal with otherwise ungraspable cataclysmic times

Entwicklung eines hochauflösenden Ophthalmoskops mit strukturierter Beleuchtung und Beiträge zur Verbesserung der zugrundeliegenden Mikroskopiemethode

Die strukturierte Beleuchtung stellt eine die ganze Bildfläche simultan betrachtende Fluoreszenzmikroskopietechnik dar. Durch computergestützte Nachbearbeitung, die sogenannte Rekonstruktion, der mit einem periodischen Muster beleuchteten Aufnahmen lassen sich superauflösende Bilder erzeugen. Die konventionelle Rekonstruktion strukturiert beleuchteter Daten benötigt ein geringes relatives Rauschniveau, also ein starkes Signal, um gute Ergebnisse zu erreichen, was in der Praxis insbesondere bei lebenden Objekten oftmals nicht realisierbar ist. Daher wurde eine entfaltungsbasierte Methode, die auf einer Sortierung der Bildpunkte beruht, zur Rekonstruktion strukturiert beleuchteter Daten entwickelt, welche einen deutlich geringeren Einfluss des Rauschens auf das Ergebnis aufweist. Eine weitere bisherige Einschränkung der strukturierten Beleuchtung liegt in der geringen Größe des aufnehmbaren Bereichs. Um dennoch die superauflösende Untersuchung großer Volumina zu ermöglichen, wurde ein Verfahren zur Bildzusammenführung erarbeitet, das das Bleichen der Fluoreszenz berücksichtigt. Die altersbedingte Makuladegeneration ist die häufigste Erblindungsursache in der westlichen Welt. Zur Aufzeichnung mit dieser Erkrankung einhergehender, autofluoreszenter Veränderungen im Augenhintergrund mit hoher Auflösung, wurde ein Ophthalmoskop mit strukturierter Beleuchtung entwickelt und seine Leistungsfähigkeit im Rahmen einer klinischen Studie überprüft. Die Gegenüberstellung mit einem leistungsfähigen konventionellen Vergleichsprodukt zeigt eine deutlich verbesserte Auflösung des erhaltenen Bildes. Dadurch kann die entwickelte Technik einen entscheidenden Beitrag zur besseren Untersuchung und Diagnose der Makuladegeneration liefern