Generierung interaktiver Lerneinheiten aus visuellen Spezifikationen

In dieser Arbeit wurde der neue Ansatz VIDEA für die Lehre von Algorithmen und Datenstrukturen vorgestellt. VIDEA verbindet diejenigen Eigenschaften multimedialer Lehrwerkzeuge, die nach heutigem Kenntnisstand einen maximalen Lerneffekt ermöglichen, in den Bereichen Visualisierung, Interaktivität und aktivem Lernen auf konsequente und neuartige Weise. Um die Probleme ähnlich zielführender, bestehender Ansätze zu vermeiden, die oft auf einen kleinen Bereich von Datenstrukturen festgelegt sind oder dem nutzenden Dozenten unnötigen Mehraufwand bei der Erstellung oder Anpassung neuer Lerneinheiten verursachen, wurde in unserem Ansatz eine zweistufige Parametrisierbarkeit des Systems entworfen: Auf der ersten Stufe werden zu lerndene Datenstrukturen und Algorithmen inklusive Operationen visuell spezifiziert. Aus dieser Spezifikation wird in einem automatisierten Verfahren eine Lerneinheit generiert, die bereits ablauffähig ist und deren Verhalten auf der zweiten Stufe durch Konfiguration weiter konkretisiert wird. Auf diese Weise können durch Anpassung existierender Spezifikationen schnell neue Lerneinheiten mit den in VIDEA garantierten Eigenschaften zur Erreichung eines hohen Lerneffekts erstellt werden. Ebenso können durch Konfiguration einer bestehenden Lerneinheit weitere Varianten dieser Lerneinheit in anderen Lernszenarien genutzt werden

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

Facet-based Indexing of Multiple Artifacts - A Framework to Cope with Vague Search Requests in the Domain of Product Development

Durch den zunehmenden Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien sowie den schnellen Technologiefortschritt steht die Entwicklung technischer Produkte vor immer neuen Herausforderungen. Dabei ist die Aufgabe der Produktentwicklung selbst als Problemlösungsprozess zu betrachten, in dem Lösungen mittels intensiver Informationsverarbeitung gefunden werden. Somit werden täglich unterschiedlichste Arten von Informationen erstellt, benötigt und verarbeitet, die primär in digitaler Form vorliegen. Diese werden in heterogenen Anwendungssystemen verwaltet, was eine Wiederverwendung bereits existierender Informationen erschwert. Damit beansprucht die Suche nach Informationen noch immer einen erheblichen Anteil der Entwicklungszeit. Zur Verbesserung der Informationsversorgung im Bereich der technischen Produktentwicklung wird ein interaktives Information Retrieval-System – das LFRP-Framework – vorgestellt. Dieses kombiniert die vier Basiskonzepte der multiplen Ebenen, der facettierten Suche, des Rankings und der parallelen Koordinaten, um hochkomplexe Informationsbedürfnisse zu befriedigen. Seine Realisierung erfordert neben einer geeigneten Suchoberfläche die Entwicklung einer Indexierungskomponente, welche die vorhandenen Informationen in eine für das LFRP-Framework rechnerverarbeitbare Form transformiert. Dieser als Indexierung bezeichnete Prozess stellt die Grundvoraussetzung für die Funktionsfähigkeit eines Suchsystems dar und liegt daher im Fokus der Betrachtung. Es wird ein Lösungsansatz vorgestellt, welcher eine Indexierung in Form facettenbasierter Suchkriterien ermöglicht und dabei nicht nur Informationen aus heterogenen Anwendungssystemen, sondern insbesondere aus entwicklungsspezifischen Dokumenten, wie CAD-Modellen, technischen Zeichnungen oder Stücklisten, berücksichtigt.Due to both the increasing use of information and communication technology as well as the fast technological progress the domain of product development has to face new challenges. Thereby, the task of developing products is a problem solving process itself and requires intensive information processing activities in order to find appropriate solutions. Thus, a variety of information is generated, needed and processed every day. Mostly available in digital form, this data is archived in heterogenous application systems. This makes it difficult to re-use already existing data. Consequently, a significant part of the development time is still affected by searching for information. In order to improve the supply of data and information in the domain of product development an interactive information retrieval system – the LFRP framework – is proposed. This framework combines four core concepts – multiple layers, facetted search, ranking, and parallel coordinates – to satisfy information needs of high complexity. Besides an appropriate search interface, realizing this framework necessitates an indexing component, too. This component is the prerequisite for operating a search system and therefore presents the main issue of this work. The proposed approach enables an indexing process by using facetted search criteria. For this purpose, data provided not only by heterogenous application systems but also by documents characteristic for the development of products such as CAD models, technical drawings, or bills of materials is considered