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We present an efficient GPU-based method to generate virtual X-ray images from tetrahedral meshes which are
associated with attenuation values. In addition, a novel approach is proposed that performs the model deformation
on the GPU. The tetrahedral grids are derived from volumetric statistical shape and intensity models (SSIMs) and describe anatomical structures. Our research targets at reconstructing 3D anatomical shapes by comparing virtual X-ray images generated using our novel approach with clinical data while varying the shape and density of the SSIM in an optimization process. We assume that a deformed SSIM adequately represents an anatomy of interest when the similarity between the virtual and the clinical X-ray image is maximized. The OpenGL implementation presented here generates accurate (virtual) X-ray images at interactive rates, thus qualifying it for its use in the reconstruction process.
Alternative treatment methods for knee osteoarthritis (OA) are in demand, to delay the young (< 50 Years) patient’s need for osteotomy or knee replacement. Novel interpositional knee spacers shape based on statistical shape model (SSM) approach and made of polyurethane (PU) were developed to present a minimally invasive method to treat medial OA in the knee. The implant should be supposed to reduce peak strains and pain, restore the stability of the knee, correct the malalignment of a varus knee and improve joint function and gait. Firstly, the spacers were tested in artificial knee models. It is assumed that by application of a spacer, a significant reduction in stress values and a significant increase in the contact area in the medial compartment of the knee will be registered. Biomechanical analysis of the effect of novel interpositional knee spacer implants on pressure distribution in 3D-printed knee model replicas: the primary purpose was the medial joint contact stress-related biomechanics. A secondary purpose was a better understanding of medial/lateral redistribution of joint loading. Six 3D printed knee models were reproduced from cadaveric leg computed tomography. Each of four spacer implants was tested in each knee geometry under realistic arthrokinematic dynamic loading conditions, to examine the pressure distribution in the knee joint. All spacers showed reduced mean stress values by 84–88% and peak stress values by 524–704% in the medial knee joint compartment compared to the non-spacer test condition. The contact area was enlarged by 462–627% as a result of the inserted spacers. Concerning the appreciable contact stress reduction and enlargement of the contact area in the medial knee joint compartment, the premises are in place for testing the implants directly on human knee cadavers to gain further insights into a possible tool for treating medial knee osteoarthritis.
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.
Successful functional surgery on the nasal framework requires reliable and comprehensive diagnosis. In this regard, the authors introduce a new methodology: Digital Analysis of Nasal Airflow (diANA). It is based on computational fluid dynamics, a statistical shape model of the healthy nasal cavity and rhinologic expertise. diANA necessitates an anonymized tomographic dataset of the paranasal sinuses including the complete nasal cavity and, when available, clinical information. The principle of diANA is to compare the morphology and the respective airflow of an individual nose with those of a reference. This enablesmorphometric aberrations and consecutive flow field anomalies to localize and quantify within a patient’s nasal cavity. Finally, an elaborated expert opinion with instructive visualizations is provided. Using diANA might support surgeons in decision-making, avoiding unnecessary surgery, gaining more precision, and target-orientation for indicated operations.
Fossil preparation is the activity of processing paleontological specimens for research and exhibition purposes. In addition to traditional mechanical extraction of fossils, preparation presently comprises non-destructive digital methods that are part of a relatively new field, namely virtual paleontology. Despite significant technological advances, both traditional and digital preparation remain cumbersome and time-consuming endeavors. However, this field has received scarce attention from a human-computer interaction perspective. The present study aims to elucidate the state-of-the-art for paleontological fossil preparation in order to determine its main challenges and start a conversation regarding opportunities for creating novel designs that tackle the field's current issues. We conducted a qualitative study involving both technical preparators and virtual paleontologists. The study was divided into two parts: First, we assembled technical preparators and paleontology researchers in a focus group session to discuss their workflows, obtain a preliminary understanding of their issues, and ideate solutions based on their counterparts' workflows. Next, we conducted a series of contextual inquiries involving direct observation and semi-structured in-depth interviews. We transcribed our recordings and examined the data through theoretical and inductive thematic analysis, clustering emerging themes and applying concepts from human-computer interaction and related fields. Our findings report on challenges faced by traditional and digital fossil preparators and potential opportunities to improve their tools and workflows. We contribute with a novel analysis of fossil preparation from an HCI perspective.
In der Arbeit wird die computergestützte Planung von chirurgisch gesetzten Knochenfrakturen bzw. Knochenschnitten (sogenannten Osteotomien) an dreidimensionalen, computergrafischen Schädelmodellen, sowie die Umpositionierung separierter knöcherner 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 durchgeführt und diese in Hinblick auf Funktion und Ästhetik bewertet werden kann. Unterschiedliche Strategien können dabei erprobt und in ihrer Auswirkung erfasst werden. Dazu wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der zum einen die chirurgische Planung im Vergleich zu existierenden Ansätzen deutlich verbessert und zum anderen eine robuste Weichgewebeprognose, durch den Einsatz geeigneter Planungsmodelle und eines physikalisch basierten Weichgewebemodells unter Nutzung numerischer Lösungsverfahren in die Planung integriert. Die Visualisierung der Planungsergebnisse erlaubt sowohl eine anschauliche und überzeugende, präoperative Patientenaufklärung, als auch die Demonstration möglicher Vorgehensweisen und deren Auswirkungen für die chirurgische Ausbildung. Ferner ergänzen die Planungsdaten die Falldokumentation und liefern einen Beitrag zur Qualitätssicherung. 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 Überblick über entsprechende Vorarbeiten zur computergestützten 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) ermöglichen. Die Methoden der 3D Schnittplanung an computergrafischen Modellen werden analysiert und eine 3D Osteotomieplanung an polygonalen Schädelmodellen entwickelt, die es ermöglicht, intuitiv durch Definition von Schnittlinien am 3D Knochenmodell, eine den chirurgischen Anforderungen entsprechende Schnittplanung unter Berücksichtigung von Risikostrukturen durchzuführen. Separierte Knochensegmente lassen sich im Anschluss interaktiv umpositionieren und die resultierende Gesamtanordnung hinsichtlich einer funktionellen Rehabilitation bewerten. Aufgrund des in dieser Arbeit gewählten, physikalisch basierten Modellierungsansatzes kann unter Berücksichtigung des gesamten Weichgewebevolumens aus der Knochenverlagerung direkt die resultierende Gesichtsform berechnet werden. Dies wird anhand von 13 exemplarischen Fallstudien anschaulich demonstriert, wobei die Prognosequalität mittels postoperativer Fotografien und postoperativer CT-Daten überprüft und belegt wird. Die Arbeit wird mit einem Ausblick auf erweiterte Modellierungsansätze und einem Konzept für eine integrierte, klinisch einsetzbare Planungsumgebung abgeschlossen.
Degenerative Gelenkerkrankungen, wie die Osteoarthrose, sind ein häufiges Krankheitsbild unter älteren Erwachsenen. Hierbei verringert sich u.a. der Gelenkspalt aufgrund degenerierten Knorpels oder geschädigter Menisci. Ein in den Gelenkspalt eingebrachter interpositionaler Spacer soll die mit der Osteoarthrose einhergehende verringerte Gelenkkontaktfläche erhöhen und so der teilweise oder vollständige Gelenkersatz hinausgezögert oder vermieden werden.
In dieser Arbeit präsentieren wir eine Planungssoftware für 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 ausgewählt und algorithmisch vorpositioniert. Die Positionierung des Spacers ist durch den Benutzer jederzeit interaktiv anpassbar.
Für jede Positionierung eines Spacers wird ein Fitness-Wert zur Knieanatomie des jeweiligen Patienten berechnet und den Nutzern Rückmeldung hinsichtlich Passgenauigkeit gegeben. Die Software unterstützt somit als Entscheidungshilfe die behandelnden Ärzte bei der patientenspezifischen Spacerauswahl.
Degenerative Gelenkerkrankungen, wie die Osteoarthrose, sind ein häufiges Krankheitsbild unter älteren Erwachsenen. Hierbei verringert sich u.a. der Gelenkspalt aufgrund degenerierten Knorpels oder geschädigter Menisci. Ein in den Gelenkspalt eingebrachter interpositionaler Spacer soll die mit der Osteoarthrose einhergehende verringerte Gelenkkontaktfläche erhöhen und so der teilweise oder vollständige Gelenkersatz hinausgezögert oder vermieden werden.
In dieser Arbeit präsentieren wir eine Planungssoftware für 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 ausgewählt und algorithmisch vorpositioniert. Die Positionierung des Spacers ist durch den Benutzer jederzeit interaktiv anpassbar.
Für jede Positionierung eines Spacers wird ein Fitness-Wert zur Knieanatomie des jeweiligen Patienten berechnet und den Nutzern Rückmeldung hinsichtlich Passgenauigkeit gegeben. Die Software unterstützt somit als Entscheidungshilfe die behandelnden Ärzte bei der patientenspezifischen Spacerauswahl.