@misc{KoberSaderZeilhoferetal., author = {Kober, Cornelia and Sader, Robert and Zeilhofer, Hans-Florian and Prohaska, Steffen and Zachow, Stefan and Deuflhard, Peter}, title = {Anisotrope Materialmodellierung f{\"u}r den menschlichen Unterkiefer}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-6574}, number = {01-31}, abstract = {Im Rahmen der biomechanischen Simulation kn{\"o}cherner Organe ist die Frage nach einer befriedigenden Materialbeschreibung nach wie vor ungel{\"o}st. Computertomographische Datens{\"a}tze liefern eine r{\"a}umliche Verteilung der (R{\"o}ntgen-)Dichte und erm{\"o}glichen damit eine gute Darstellung der individuellen Geometrie. Weiter k{\"o}nnen die verschiedenen Materialbestandteile des Knochens, Spongiosa und Kortikalis, voneinander getrennt werden. Aber die richtungsab{\"a}ngige Information der Materialanisotropie ist verloren. In dieser Arbeit wird ein Ansatz f{\"u}r eine anisotrope Materialbeschreibung vorgestellt, die es erm{\"o}glicht, den Einfluss der individuellen kn{\"o}chernen Struktur auf das makroskopische Materialverhalten abzusch{\"a}tzen.}, language = {de} } @misc{HegeMerzkyZachow, author = {Hege, Hans-Christian and Merzky, Andre and Zachow, Stefan}, title = {Distributed Visualization with OpenGL Vizserver: Practical Experiences}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-5992}, number = {00-31}, abstract = {The increasing demand for distributed solutions in computing technology does not stop when it comes to visualization techniques. However, the capabilities of todays applications to perform remote rendering are limited by historical design legacys. Especially the popular X11 protokoll, which has been proven to be extremely flexible and usefull for remote 2D graphics applications, breaks down for the case of remote 3D rendering. In this white paper, we give a short overview of generic remote rendering technologies available today, and compare their performance to the recently released vizserver by SGI: a network extension to the SGI OpenGL rendering engines.}, language = {en} } @misc{DeuflhardDoesselLouisetal., author = {Deuflhard, Peter and D{\"o}ssel, Olaf and Louis, Alfred and Zachow, Stefan}, title = {Mehr Mathematik wagen in der Medizin}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-10776}, number = {08-25}, abstract = {Der Artikel gibt einen Einblick in das reiche Feld der Zusammenarbeit zwischen Mathematik und Medizin. Beispielhaft werden drei Erfolgsmodelle dargestellt: Medizinische Bildgebung, mathematische Modellierung und Biosignalverarbeitung im Bereich der Dynamik des Herzens sowie mathematische Modellierung und Simulation in der Krebstherapie Hyperthermie und der Mund-Kiefer-Gesichts-Chirurgie. In allen F{\"a}llen existiert ein Gleichklang der Interessen von Medizin und Mathematik: Beide Disziplinen wollen die Resultate schnell und zuverl{\"a}ssig. F{\"u}r die Klinik heißt das, dass notwendige Rechnungen in m{\"o}glichst kurzer Zeit, und zwar auf dem PC, ablaufen m{\"u}ssen und dass die Resultate so genau und belastbar sein m{\"u}ssen, dass medizinische Entscheidungen darauf aufbauen k{\"o}nnen. F{\"u}r die Mathematik folgt daraus, dass h{\"o}chste Anforderungen an die Effizienz der verwendeten Algorithmen und die darauf aufbauende Software in Numerik und Visualisierung zu stellen sind. Jedes Kapitel endet mit einer Darstellung der Perspektive des jeweiligen Gebietes. Abschließend werden m{\"o}gliche Handlungsoptionen f{\"u}r Politik und Wirtschaft diskutiert.}, language = {de} } @phdthesis{Zachow, author = {Zachow, Stefan}, title = {Computergest{\"u}tzte 3D Osteotomieplanung in der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie unter Ber{\"u}cksichtigung der r{\"a}umlichen Weichgewebeanordnung}, isbn = {3899631986}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-10432}, abstract = {In der Arbeit wird die computergest{\"u}tzte Planung von chirurgisch gesetzten Knochenfrakturen bzw. Knochenschnitten (sogenannten Osteotomien) an dreidimensionalen, computergrafischen Sch{\"a}delmodellen, sowie die Umpositionierung separierter kn{\"o}cherner Segmente im Kontext der rekonstruktiven MKG-Chirurgie behandelt. Durch die 3D Modellierung und Visualisierung anatomischer Strukturen, sowie der 3D Osteotomie- und Umstellungsplanung unter Einbeziehung der resultierenden Weichgewebedeformation wird den Chirurgen ein Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem eine Therapieplanung am Computer durchgef{\"u}hrt und diese in Hinblick auf Funktion und {\"A}sthetik bewertet werden kann. Unterschiedliche Strategien k{\"o}nnen dabei erprobt und in ihrer Auswirkung erfasst werden. Dazu wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der zum einen die chirurgische Planung im Vergleich zu existierenden Ans{\"a}tzen deutlich verbessert und zum anderen eine robuste Weichgewebeprognose, durch den Einsatz geeigneter Planungsmodelle und eines physikalisch basierten Weichgewebemodells unter Nutzung numerischer L{\"o}sungsverfahren in die Planung integriert. Die Visualisierung der Planungsergebnisse erlaubt sowohl eine anschauliche und {\"u}berzeugende, pr{\"a}operative Patientenaufkl{\"a}rung, als auch die Demonstration m{\"o}glicher Vorgehensweisen und deren Auswirkungen f{\"u}r die chirurgische Ausbildung. Ferner erg{\"a}nzen die Planungsdaten die Falldokumentation und liefern einen Beitrag zur Qualit{\"a}tssicherung. Die Arbeit ist in sieben Kapitel gegliedert und wie folgt strukturiert: Zuerst wird die medizinische Aufgabenstellung bei der chirurgischen Rekonstruktion von Knochenfehlbildungen und -fehlstellungen in der kraniofazialen Chirurgie sowie die daraus resultierenden Anforderungen an die Therapieplanung beschrieben. Anschließend folgt ein umfassender {\"U}berblick {\"u}ber entsprechende Vorarbeiten zur computergest{\"u}tzten Planung knochenverlagernder Operationen und eine kritische Bestandsaufnahme der noch vorhandenen Defizite. Nach der Vorstellung des eigenen Planungsansatzes wird die Generierung individueller, qualitativ hochwertiger 3D Planungsmodelle aus tomografischen Bilddaten beschrieben, die den Anforderungen an eine intuitive, 3D Planung von Umstellungsosteotomien entsprechen und eine Simulation der daraus resultierenden Weichgewebedeformation mittels der Finite-Elemente Methode (FEM) erm{\"o}glichen. Die Methoden der 3D Schnittplanung an computergrafischen Modellen werden analysiert und eine 3D Osteotomieplanung an polygonalen Sch{\"a}delmodellen entwickelt, die es erm{\"o}glicht, intuitiv durch Definition von Schnittlinien am 3D Knochenmodell, eine den chirurgischen Anforderungen entsprechende Schnittplanung unter Ber{\"u}cksichtigung von Risikostrukturen durchzuf{\"u}hren. Separierte Knochensegmente lassen sich im Anschluss interaktiv umpositionieren und die resultierende Gesamtanordnung hinsichtlich einer funktionellen Rehabilitation bewerten. Aufgrund des in dieser Arbeit gew{\"a}hlten, physikalisch basierten Modellierungsansatzes kann unter Ber{\"u}cksichtigung des gesamten Weichgewebevolumens aus der Knochenverlagerung direkt die resultierende Gesichtsform berechnet werden. Dies wird anhand von 13 exemplarischen Fallstudien anschaulich demonstriert, wobei die Prognosequalit{\"a}t mittels postoperativer Fotografien und postoperativer CT-Daten {\"u}berpr{\"u}ft und belegt wird. Die Arbeit wird mit einem Ausblick auf erweiterte Modellierungsans{\"a}tze und einem Konzept f{\"u}r eine integrierte, klinisch einsetzbare Planungsumgebung abgeschlossen.}, language = {de} } @misc{ZachowZilskeHege, author = {Zachow, Stefan and Zilske, Michael and Hege, Hans-Christian}, title = {3D reconstruction of individual anatomy from medical image data: Segmentation and geometry processing}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-10440}, number = {07-41}, abstract = {For medical diagnosis, visualization, and model-based therapy planning three-dimensional geometric reconstructions of individual anatomical structures are often indispensable. Computer-assisted, model-based planning procedures typically cover specific modifications of "virtual anatomy" as well as numeric simulations of associated phenomena, like e.g. mechanical loads, fluid dynamics, or diffusion processes, in order to evaluate a potential therapeutic outcome. Since internal anatomical structures cannot be measured optically or mechanically in vivo, three-dimensional reconstruction of tomographic image data remains the method of choice. In this work the process chain of individual anatomy reconstruction is described which consists of segmentation of medical image data, geometrical reconstruction of all relevant tissue interfaces, up to the generation of geometric approximations (boundary surfaces and volumetric meshes) of three-dimensional anatomy being suited for finite element analysis. All results presented herein are generated with amira ® - a highly interactive software system for 3D data analysis, visualization and geometry reconstruction.}, language = {en} } @misc{WeiserErdmannSchenkletal.2017, author = {Weiser, Martin and Erdmann, Bodo and Schenkl, Sebastian and Muggenthaler, Holger and Hubig, Michael and Mall, Gita and Zachow, Stefan}, title = {Uncertainty in Temperature-Based Determination of Time of Death}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-63818}, year = {2017}, abstract = {Temperature-based estimation of time of death (ToD) can be per- formed either with the help of simple phenomenological models of corpse cooling or with detailed mechanistic (thermodynamic) heat transfer mod- els. The latter are much more complex, but allow a higher accuracy of ToD estimation as in principle all relevant cooling mechanisms can be taken into account. The potentially higher accuracy depends on the accuracy of tissue and environmental parameters as well as on the geometric resolution. We in- vestigate the impact of parameter variations and geometry representation on the estimated ToD based on a highly detailed 3D corpse model, that has been segmented and geometrically reconstructed from a computed to- mography (CT) data set, differentiating various organs and tissue types. From that we identify the most crucial parameters to measure or estimate, and obtain a local uncertainty quantifcation for the ToD.}, language = {en} } @misc{AmbellanTackWilsonetal., author = {Ambellan, Felix and Tack, Alexander and Wilson, Dave and Anglin, Carolyn and Lamecker, Hans and Zachow, Stefan}, title = {Evaluating two methods for Geometry Reconstruction from Sparse Surgical Navigation Data}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-66052}, abstract = {In this study we investigate methods for fitting a Statistical Shape Model (SSM) to intraoperatively acquired point cloud data from a surgical navigation system. We validate the fitted models against the pre-operatively acquired Magnetic Resonance Imaging (MRI) data from the same patients. We consider a cohort of 10 patients who underwent navigated total knee arthroplasty. As part of the surgical protocol the patients' distal femurs were partially digitized. All patients had an MRI scan two months pre-operatively. The MRI data were manually segmented and the reconstructed bone surfaces used as ground truth against which the fit was compared. Two methods were used to fit the SSM to the data, based on (1) Iterative Closest Points (ICP) and (2) Gaussian Mixture Models (GMM). For both approaches, the difference between model fit and ground truth surface averaged less than 1.7 mm and excellent correspondence with the distal femoral morphology can be demonstrated.}, language = {en} } @misc{JoachimskyAmbellanZachow, author = {Joachimsky, Robert and Ambellan, Felix and Zachow, Stefan}, title = {Computerassistierte Auswahl und Platzierung von interpositionalen Spacern zur Behandlung fr{\"u}her Gonarthrose}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-66064}, abstract = {Degenerative Gelenkerkrankungen, wie die Osteoarthrose, sind ein h{\"a}ufiges Krankheitsbild unter {\"a}lteren Erwachsenen. Hierbei verringert sich u.a. der Gelenkspalt aufgrund degenerierten Knorpels oder gesch{\"a}digter Menisci. Ein in den Gelenkspalt eingebrachter interpositionaler Spacer soll die mit der Osteoarthrose einhergehende verringerte Gelenkkontaktfl{\"a}che erh{\"o}hen und so der teilweise oder vollst{\"a}ndige Gelenkersatz hinausgez{\"o}gert oder vermieden werden. In dieser Arbeit pr{\"a}sentieren wir eine Planungssoftware f{\"u}r die Auswahl und Positionierung eines interpositionalen Spacers am Patientenmodell. Auf einer MRT-basierten Bildsegmentierung aufbauend erfolgt eine geometrische Rekonstruktion der 3D-Anatomie des Kniegelenks. Anhand dieser wird der Gelenkspalt bestimmt, sowie ein Spacer ausgew{\"a}hlt und algorithmisch vorpositioniert. Die Positionierung des Spacers ist durch den Benutzer jederzeit interaktiv anpassbar. F{\"u}r jede Positionierung eines Spacers wird ein Fitness-Wert zur Knieanatomie des jeweiligen Patienten berechnet und den Nutzern R{\"u}ckmeldung hinsichtlich Passgenauigkeit gegeben. Die Software unterst{\"u}tzt somit als Entscheidungshilfe die behandelnden {\"A}rzte bei der patientenspezifischen Spacerauswahl.}, language = {de} } @article{SahuMukhopadhyaySzengeletal., author = {Sahu, Manish and Mukhopadhyay, Anirban and Szengel, Angelika and Zachow, Stefan}, title = {Addressing multi-label imbalance problem of Surgical Tool Detection using CNN}, series = {International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery}, volume = {12}, journal = {International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery}, number = {6}, publisher = {Springer}, doi = {10.1007/s11548-017-1565-x}, pages = {1013 -- 1020}, abstract = {Purpose: A fully automated surgical tool detection framework is proposed for endoscopic video streams. State-of-the-art surgical tool detection methods rely on supervised one-vs-all or multi-class classification techniques, completely ignoring the co-occurrence relationship of the tools and the associated class imbalance. Methods: In this paper, we formulate tool detection as a multi-label classification task where tool co-occurrences are treated as separate classes. In addition, imbalance on tool co-occurrences is analyzed and stratification techniques are employed to address the imbalance during Convolutional Neural Network (CNN) training. Moreover, temporal smoothing is introduced as an online post-processing step to enhance run time prediction. Results: Quantitative analysis is performed on the M2CAI16 tool detection dataset to highlight the importance of stratification, temporal smoothing and the overall framework for tool detection. Conclusion: The analysis on tool imbalance, backed by the empirical results indicates the need and superiority of the proposed framework over state-of-the-art techniques.}, language = {en} } @misc{LamasRodriguezEhlkeHoffmannetal., author = {Lamas-Rodr{\´i}guez, Juli{\´a}n and Ehlke, Moritz and Hoffmann, Ren{\´e} and Zachow, Stefan}, title = {GPU-accelerated denoising of large tomographic data sets with low SNR}, issn = {1438-0064}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0297-zib-56339}, abstract = {Enhancements in tomographic imaging techniques facilitate non-destructive methods for visualizing fossil structures. However, to penetrate dense materials such as sediments or pyrites, image acquisition is typically performed with high beam energy and very sensitive image intensifiers, leading to artifacts and noise in the acquired data. The analysis of delicate fossil structures requires the images to be captured in maximum resolution, resulting in large data sets of several giga bytes (GB) in size. Since the structural information of interest is often almost in the same spatial range as artifacts and noise, image processing and segmentation algorithms have to cope with a very low signal-to-noise ratio (SNR). Within this report we present a study on the performance of a collection of denoising algorithms applied to a very noisy fossil dataset. The study shows that a non-local means (NLM) filter, in case it is properly configured, is able to remove a considerable amount of noise while preserving most of the structural information of interest. Based on the results of this study, we developed a software tool within ZIBAmira that denoises large tomographic datasets using an adaptive, GPU-accelerated NLM filter. With the help of our implementation a user can interactively configure the filter's parameters and thus its effectiveness with respect to the data of interest, while the filtering response is instantly visualized for a preselected region of interest (ROI). Our implementation efficiently denoises even large fossil datasets in a reasonable amount of time.}, language = {en} }