Computergestützte Visualisierung eines human-embryonalen Gehirns

Weinert, Peter (2007): Computergestützte Visualisierung eines human-embryonalen Gehirns. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde das 3-D-Modell des Gehirns eines frühen humanen Embryos angefertigt, des Weiteren eine 3-D-Software entwickelt, die es erlaubt, das Modell in Echtzeit manipulierbar darzustellen und es schließlich vollwertig stereoskopisch betrachten zu können. Diese Software wird Studierenden auf dem Server des Leibniz-Rechenzentrums zur Verfügung gestellt. Damit können sie am eigenen Rechner virtuelle 3-D-Modelle, die am Lehrstuhl III der Anatomischen Anstalt erarbeitet und bereit gestellt werden, plastisch (auch stereoskopisch) studieren. So besteht in Zukunft die Möglichkeit, die embryonale Entwicklung mit zeitgemäßen Methoden leicht verständlich zu veranschaulichen. Dem 3-D-Modell diente als Quellmaterial eine Schnittserie aus 574 Schichten eines menschlichen Embryos im Carnegie-Stadium 18. Die Schichten wurden über ein Mikroskop digitalisiert und am Computer wieder räumlich zueinander ausgerichtet. Um die ursprünglichen anatomischen Verhältnisse trotz der verzerrten Schnitte mit dem kommerziell verfügbaren Programm AmiraDev 3.0 möglichst korrekt herzustellen, wurde dieser elementare aber komplizierte Schritt durch selbst entwickelte Techniken unterstützt und sichtbar verbessert. Im so entstandenen Bilderstapel wurde das Gehirn markiert und dann zum virtuellen Modell trianguliert. Die hier entwickelte 3-D-Software erlaubt es, das willkürlich drehbare 3-D-Modell sowie andere Rekonstruktionen am Rechner anzuzeigen. Eine frei wählbare Schnittebene und die Transparenzfunktion geben Aufschluss über den inneren Aufbau des 3-D-Modells, z. B. über das Ventrikelsystem. In der Programmiersprache C++ wurden hocheffiziente, handoptimierte Bibliotheken für lineare Algebra und Computergrafik entwickelt, die eine ruckfreie Betrachtung ermöglichen. Im Hinblick auf Effizienz, Erweiterbarkeit und Fehlervermeidung wurde auf ein wohl überlegtes Software-Design mit sicherer Semantik Wert gelegt. Auch wenn ein virtuelles 3-D-Modell bereits einen besseren räumlichen Eindruck als eine plane Abbildung verschafft, kommt eine echte Tiefenwirkung erst durch stereoskopische Darstellung zustande. Diese wurde lege artis als asymmetrische perspektivische Projektion so implementiert, dass sie unkompliziert auf Tastendruck genutzt werden kann. Die ausgereifte Software beherrscht das Anaglyphenverfahren (Rot-Grün-Brille) genauso wie auch aufwendigere Projektionsverfahren. Die Arbeit stellt darüber hinaus in kurzer Form die für die Programmentwicklung relevanten mathematischen Grundlagen dar. Ferner wird ein Überblick über die im Internet verfügbaren, teils kommerziell vertriebenen Datensätze – speziell zur Embryologie – gegeben und das selbst entwickelte Darstellungsmodell mit seinen Vorteilen und den (selbst auferlegten) Beschränkungen in dieses Bezugssystem eingeordnet.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Embryologie, Visualisierung, Gehirnentwicklung, 3-D-Rekonstruktion
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 22. März 2007
• 1. Bericht­erstatter:in: Heinzeller, Thomas