CeVis
  1. Center of Complex Systems and Visualization
  2. Lehre
  3. Oberseminar

In dem regelmäßig stattfindenden Oberseminar tragen Gäste aus aller Welt über Forschungsarbeiten zu Themen vor, die mit der Arbeit von CeVis und MeVis in Verbindung stehen, und Mitarbeiter von CeVis und MeVis präsentieren ihre neusten Ergebnisse.

Program for the Winter-Semester 2007-2008

24.10.2007, 14:00
Visualisierung von multimodalen Daten zur Unterstützung neurochirurgischer Operationen
Christian Rieder , MeVis Research
31.10.2007, 11:00
On the equivalence of stochastic and deterministic approaches to low level vision
Date: 31.10.2007
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Dr. Kai Krajsek
Forschungszentrum Jülich

On the equivalence of stochastic and deterministic approaches to low level vision

Relations between deterministic (e.g. variational or PDE based methods) and stochastic (e.g. Bayesian estimation) low level vision approaches are known for a long time. Nonetheless, both points of view, the deterministic and the stochastic one, evolved rather independently since the discovery of their close relationship. While deterministic approaches allow design of rotational invariant and well-posed models, the stochastic point of view allows to learn models, adapt them to current situations as well as estimation of error bounds on the solution. The relation between the two approaches are reviewed for state of the art low level vision applications. Advantages of interpreting deterministic approaches from a stochastic point of view are exemplified for image restoration and optical flow estimation.

Dr. Kai Krajsek , Forschungszentrum Jülich
07.11.2007, 11:00
Ähnlichkeitsmaße für die Bildregistrierung
Dörte van Straaten , Universität Lübeck
14.11.2007, 11:00
METK - The Medical Exploration Toolkit
Date: 14.11.2007
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Christian Tietjen
Universität Magdeburg

METK - The Medical Exploration Toolkit

For many tasks in computer-aided medical visualization, it is not sufficient to display just one anatomical structure or to perform a simple volume rendering. Building applications for complex case analysis with advanced visualization techniques is still an extensive job. Newly designed visualization or exploration techniques need to be adapted for each application. Also simple tasks such as loading specific patient image data or the visualization of segmented structures require a deep knowledge of the used techniques. The Application Frame facilitates the integration and testing of new algorithms and the development of application prototypes with MeVisLab that can be used in clinical environments. While Application Frame indeed addresses generic issues such as DICOM image import and export, user-management, reporting, and documentation functionality, it does not provide advanced visualization and exploration techniques. Hence, we developed the Medical Exploration Toolkit (METK) as a comprehensive collection of basic and advanced visualization and exploration techniques with a common communication protocol. These underlying structures are invisible for application developers. Thus, they can focus on application requirements and come up with complex applications using just a few METK modules. The METK helps to develop basic applications very fast. It provides basic facilities like case management as well as advanced visualization and exploration techniques like stippling or viewpoint selection. The resulting applications are as slim as possible, because the basic database and visualization layers are optional.

Christian Tietjen , Universität Magdeburg
15.11.2007, 11:00
Multigrid Solvers for Complicated Geometries
Date: 15.11.2007
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Ole Schwen
INS, Universität Bonn

Multigrid Solvers for Complicated Geometries

An essential part of Finite Element simulations is solving large systems of linear equations. If the underlying grid of the finite elements has natural coarse scales, particularly efficient solvers - so-called (geometric) multigrid methods - can be applied. However, when using so-called Composite Finite Elements for objects with complicated shape, the natural coarsening approach may lead to artificial numerical coupling between regions that are physically unrelated. After an introduction to multigrid methods, we present some ideas how such numerical coupling can avoided.

Ole Schwen , INS, Universität Bonn
21.11.2007, 11:00
Rekonstruktion von Gefäßoberflächen mit MPU implicits
Date: 21.11.2007
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Christian Schumann
MeVis Research

Rekonstruktion von Gefäßoberflächen mit MPU implicits

Wir präsentieren eine Methode zur Rekonstruktion von Gefäßoberflächen basierend auf dem Segmentierungsergebnis aus kontrastmittelverstärkten Bilddaten. Im Gegensatz zu modellbasierten Verfahren, welche vereinfachende Annahmen hinsichtlich des Gefäßquerschnitts treffen, wird die Morphologie der darzustellenden Gefäße exakt wiedergegeben. Dies ermöglicht neben einer Anwendung in der Therapieplanung und der medizinischen Ausbildung auch einen Einsatz in der Gefäßdiagnostik sowie der Simulation der Hämodynamik. Basierend auf dem Segmentierungsergebnis wird zunächst eine Punktwolke generiert. Diese wird mit Hilfe von Multi-level Partition of Unity Implicits (MPU Implicits) in eine Oberfläche überführt. Geeignete Werte für die hierfür benötigten Parameter werden automatisch bestimmt. Somit kann effizient eine glatte und artefaktfreie Oberfläche erzeugt werden.

Christian Schumann , MeVis Research
22.11.2007, 11:00
Hierarchisches Tree-Matching anatomischer Baumstrukturen
Date: 22.11.2007
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Tobias Lohe
Universität Lübeck

Hierarchisches Tree-Matching anatomischer Baumstrukturen

Vorstellung der Ergebnisse der Diplomarbeit von T.Lohe: Im Rahmen der Arbeit wurde ein hierachischer Suchalgorithmus für die Identifizierung anatomisch äquivalenter Verzweigungen in anatomischen Baumstrukturen entwickelt und als MeVisLab-Modul implementiert. Der Algorithmus wurde anhand verschiedener klinischer Daten (Lebergefäße, Bronchialbaum, ...) evaluiert. Ohne spezielle Parameteranpassung an den jeweiligen Typ des anatomischen Baumes konnte - im Vergleich zu manuell erzeugten Referenzen - eine Rate von 81% korrekt zugeordneten Verzweigungen erreicht werden.

Tobias Lohe , Universität Lübeck
22.11.2007, 14:00
Methoden und Bildverarbeitung am MS-MRI
Prof. Dr. Ernst-Wilhelm Radü , MS MRI Evaluation Center, Universitätsspital Basel
23.11.2007, 11:00
MCI-Aspekte in der computergestützten Therapieplanung und Chirurgieausbildung
Date: 23.11.2007
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Prof. Dr. Bernhard Preim
Universität Magdeburg

MCI-Aspekte in der computergestützten Therapieplanung und Chirurgieausbildung

Die Entwicklung von Softwareassistenten für die Therapieplanung erfordert eine Vielzahl von Entscheidungen. Diese orientieren sich sinnvollerweise an den Bedürfnissen und Fähigkeiten der Benutzer und den Besonderheiten der Aufgabe. In diesem Vortrag wird diskutiert, wie man zu verlässlichen Informationen über Therapieplanungsaufgaben kommt, wie man daraus Anforderungen ableitet und wie man Prototypen evaluiert. Dabei werden verschiedene Methoden aus dem Bereich der Mensch-Computer-Interaktion diskutiert. Insbesondere die Methode des Scenario-Based User Interface Designs wird ausführlicher vorgestellt und ihr konkreter Einsatz für die Konzeption des LiverSurgeryTrainers und des SpineSurgeryTrainers beschrieben.

Prof. Dr. Bernhard Preim , Universität Magdeburg
28.11.2007, 11:00
3D-Bildsystem für den Einsatz in der Nanotechnologie
Marco Jähnisch , Universität Oldenburg
05.12.2007, 11:00
Bone Removal
Hans Drexl , MeVis Research
12.12.2007, 11:00
GPU-Programmierung für die Verarbeitung (medizinischer) Volumendaten
Date: 12.12.2007
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Matthias Raspe
Universität Koblenz-Landau

GPU-Programmierung für die Verarbeitung (medizinischer) Volumendaten

Der Einsatz programmierbarer Grafikhardware (GPU) für nicht-grafische Zwecke hat sich in den letzten Jahren zu einer eigenen Community "General Purpose GPU" entwickelt. Viele Anwendungsgebiete, von Bildverarbeitung und Physiksimulationen bis hin zu Datenbankoperationen wurden dabei entwickelt und untersucht. Diese "Zweckentfremdung" erfordert jedoch derzeit eine umständliche Programmierung, die neben vielen, architekturbedingten Einschränkungen vor allem fundierte Kenntnisse in Computergrafik voraussetzt.

In dem Vortrag wird das selbst entwickelte System "Cascada" vorgestellt, das im Rahmen verschiedener Arbeiten und Projekte medizinische (Volumen-)daten auf Standardhardware verarbeitet und ständig weiter entwickelt wird. Neben einer Abstraktion zur schnelleren und problemorienterten Programmierung wird auf einige Besonderheiten des Systems eingegangen und im Kontext aktueller Entwicklungen wie Nvidia CUDA diskutiert. Es werden außerdem Anwendungsgebiete, aktuelle Projekte und erste Ergebnisse vorgestellt und diskutiert. Ziel ist es der Frage nachzugehen, ob aktuelle Grafikhardware eine Alternative für die medizinische Datenverarbeitung darstellt und inwieweit eine entsprechende Kategorisierung von Algorithmen möglich ist.


Matthias Raspe , Universität Koblenz-Landau
10.01.2008, 11:00
Microscopic Simulation Approaches to red Blood Cell Dynamics: an Overview
Date: 10.01.2008
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Prof. Dr. Heike Emmerich
RWTH Aachen

Microscopic Simulation Approaches to red Blood Cell Dynamics: an Overview

Dynamic simulations of red blood cell dynamic is only an emerging scientific discipline, which arose from micro-scale approaches to vesicle dynamics in more general: At the micro-scale vesicles can be viewed as closed membranes, which are suspended in an aqueous solution. They constitute a model system of biological membranes, which separate an interior domain of usually larger viscosity from an external domain of smaller viscosity. The hydrostatics, hydrodynamics and elastomechanics of such liquid capsules enclosed by thin elastic shells or chemical and biological membranes consisting of molecular networks have recently received considerable attention in cellular biology, bioengineering, and microencapsulation technology. Theoretical models at this scale have to be able to describe the deformation dynamics of the cells taking into account the effect of membrane bending stiffness, effects of in-plane elastic tension, membrane viscosity and membrane incompressibility in a consistent manner. In this field the classical numerical approach to study the moving interfaces of the cells modelled accordingly, is to employ a computational mesh that has grid points directly on the interfaces and thus constitutes a sharp interface approach. Then the mesh has to deform due to the motion of the boundary. Numerically this can for example be achieved based on the boundary integral and boundary element methods. Keeping track of the moving mesh may entail computational difficulties, and large displacement in internal domains may cause mesh entanglement. Typically, sophisticated remeshing schemes have to be used in these cases. As an alternative, fixed-grid methods that regularise the interface have been highly successful in treating deforming interfaces. These include the volume-of-fluid (VOF) method, the front-tracking method and the level-set method. Instead of formulating the flow of two domains separated by an interface, these methods represent the interfacial tension as a body-force or bulk-stress spreading over a narrow region covering the interface. Then a single set of governing equations can be written over the entire domain, and solved on a fixed grid in a purely Eulerian framework.

Only recently phase-field methods (see e.g. [1] and references therein) have been employed to contribute to this field, as well. In this context the phase-field model approach can be viewed as a physically motivated level-set method, which allows for a rigorous derivation of dynamic model equations based on the variation of an underlying energy functional. Thus instead of choosing an artificial smoothing function for the interface, the phase-field model describes the interface by a mixing energy. However, there are several pecularities to take into account compared to 'traditional' phase-field modelling in the context of metallic material systems.

This talk provides an overview of the methodological challenges when modelling and simulating vesicles and successively red blood cells with phase-field models. Moreover, it summarizes the main achievements encountered in doing so. Finally, it discusses as an outlook the possibilities of scale-bridging atomic-microscopic modelling when combining the phase-field methodology with the still more recent phase-field crystal approach.

[1] H. Emmerich, "The Diffuse Interface Approach in Material Science - Thermodynamic Concepts and Applications of Phase-Field Models",} Springer monograph, Lecture Notes in Physics 73 (2003)


Prof. Dr. Heike Emmerich , RWTH Aachen
16.01.2008, 11:00
Der LiverSurgeryTrainer
Date: 16.01.2008
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Konrad Mühler
Universität Magdeburg

Der LiverSurgeryTrainer

Durch eine immer größere Verbreitung computergestützter, dreidimensionaler Operations-Planung spielt auch das Training einer solchen Planung und der damit verbundenen Entscheidungsprozesse eine immer größere Rolle. Im Rahmen des FUSION-Projektes zur Verbesserung des schonenden Operierens der Leber wird daher der LiverSurgeryTrainer entwickelt. Der LiverSurgeryTrainer ist eine fallbasierte Lernsoftware, welche dem Lernenden in Person eines Chirurgen oder fortgeschrittenen Medizinstudenten erlaubt, selbstständig die Planung von didaktisch besonders aufbereiteten Fällen zu trainieren. Das System deckt dabei Fälle der onkologischen Leberchirurgie und der Leberlebendspende ab. Neben der Schulung von Therapieentscheidungen steht das Training von virtuellen Resektionen und des Umgangs mit dreidimensionalen Darstellung im Vordergrund.
Im Rahmen des Vortrags werden das Konzept, der aktuelle Entwicklungsstand und eine erste Evaluierung des LiverSurgeryTrainers präsentiert. Im Detail wird außerdem auf einzelne Aspekte der praktischen Umsetzung in MeVisLab wie softwaretechnische Grundlagen, Layoutgestaltung und Datenmanagement eingegangen. Zur Abrundung ist eine Live-Demo des LiverSurgeryTrainers geplant.

Konrad Mühler , Universität Magdeburg
23.01.2008, 11:00
Evaluierung eines Software-Entwicklungsprozess-Modells
Date: 23.01.2008
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Randi Müller
HAW Hamburg

Evaluierung eines Software-Entwicklungsprozess-Modells

Software-Entwicklungsmodelle müssen vielen verschiedenen Ansprüchen genügen, in erster Linie sind das Zeit, Umfang und Qualität. Aber auch gesetzliche Anforderungen, sowie die Arbeitsweise der Entwickler müssen zu dem Modell passen. Der Vortrag beschreibt die Vorgehensweise und das Ergebnis der Diplomarbeit von Randi Müller bei der MeVis Medical Solutions AG. Das Ergebnis zum Thema „Evaluierung eines Software-Entwicklungsprozess-Modells“ soll speziell für die Anwendung bei MeVis abgestimmt sein. Dazu müssen bestehende Probleme im bisherigen Ablauf in der Entwicklung festgehalten werden. Weiterhin müssen die gesetzlichen Anforderungen, die vom deutschen sowie amerikanischen Markt bestehen, besprochen werden. Aus diesen vorherigen Merkmalen sollen Kriterien für ein passendes Modell entstehen. Nach kurzer Erklärung welche Modelle in Betracht kamen, soll das Ergebnis vorgestellt werden. Nun folgt die Darstellung des gesamten Entwicklungsmodells mit Fokus auf seine wichtigsten Punkte. Dabei wird jede Phase von den Kundenanforderungen bis zur Freigabe einzeln beschrieben. Zuständigkeiten, die verschiedenen Aktivitäten zu den zugehörigen Zeitpunkten werden erläutert. Nebenbei werden außerdem Zeitfenster der Bearbeitungen und Teameinteilungen genauer erklärt.

Randi Müller , HAW Hamburg
30.01.2008, 14:30
1H MR-Spektroskopie: Prinzip, Probleme, Praxis und Chancen
Date: 30.01.2008
Time: 14:30:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Markus Harz
MeVis Research

1H MR-Spektroskopie: Prinzip, Probleme, Praxis und Chancen

In diesem Übersichtsvortrag führe ich in die ungewöhnliche und für die Meisten vermutlich neue Begriffswelt der Spektroskopiker ein. Dies soll anhand der Funktionsweise einer einfachen lokalisierten MR-Sequenz geschehen, die anschließend modernen Verfahren gegenübergestellt wird.

Ist das Meßprinzip verstanden, erschließen sich übliche Schwierigkeiten, die im täglichen Betrieb auftreten. Außerdem sollen die vielfältigen Methoden manueller, semi- und vollautomatischer Analyse überblicksartig präsentiert werden. Der Einfluß von Artefakten und (fehlerbehafteter) Datenauswertung auf die klinische Diagnose wird kurz beleuchtet, bevor im Hauptteil des Vortrags auf die Anwendung der Spektroskopie zur Diagnostik und Verlaufskontrolle in Hirn, Prostata und Brust eingegangen wird. Hier liegt der Schwerpunkt auf dem Stand der Wissenschaft und den aktuellen Problemen.

Zuletzt möchte ich die Schwerpunkte der derzeitigen und geplanten Arbeiten bei MeVis Research darstellen.


Markus Harz , MeVis Research
31.01.2008, 11:00
Numerical Simulation of Thermally Induced Thrombos Formation in Hepatic Vessels - How Easy CFD can be With Lattice-Bolzmann Schemes
Date: 31.01.2008
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Dr. Tim Kröger
MeVis Research

Numerical Simulation of Thermally Induced Thrombos Formation in Hepatic Vessels - How Easy CFD can be With Lattice-Bolzmann Schemes

Radio frequency ablation (RFA) is a minimally invasive therapy form that can be used for the treatment of hepatic tumors. For the outcome of RFA, the cooling effect due to large blood vessels in the vicinity of the tumor plays an important role. Hence, it is important to capture this effect correctly in a numerical simulation.

There are simple mathematical models for the simulation of the cooling effects of both large blood vessels (that can be segmented in advance and remain perfused during the ablation process) and small vessels (that are assumed to pervade the tissue). However, for medium-sized vessels, it is difficult to find an appropriate model. The main problem is that medium-sized vessels might or might not occlude during the ablation process, depending on their size, blood flow velocity, and distance to the RF probe.

This talk presents a state-of-the art-of my current research about numerical simulation of this thermally induced blood vessel coagulation. This includes an introduction to the Lattice--Boltzmann schemes as well as first computational results. A main open question are the choice of correct simulation parameters as well as validation purposes.


Dr. Tim Kröger , MeVis Research
13.02.2008, 10:30
Topology, Accuracy, and Quality of Isosurface Meshes Using Dynamic Particles
Date: 13.02.2008
Time: 10:30:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Prof. Dr. Robert M. Kirby
SCI, University of Utah, USA

Topology, Accuracy, and Quality of Isosurface Meshes Using Dynamic Particles

In this talk we describe a method for constructing isosurface triangulations of sampled, volumetric, three-dimensional scalar fields. The resulting meshes consist of triangles that are of consistently high quality, making them well suited for accurate interpolation of scalar and vector-valued quantities, as required for numerous applications in visualization and numerical simulation. The proposed method does not rely on a local construction or adjustment of triangles as is done, for instance, in advancing wavefront or adaptive refinement methods. Instead, a system of dynamic particles optimally samples an implicit function such that the particles' relative positions can produce a topologically correct Delaunay triangulation. Thus, the proposed method relies on a global placement of triangle vertices. The main contributions of this work are the integration of dynamic particles systems with surface sampling theory and PDE-based methods for controlling the local variability of particle densities, as well as detailing a practical method that accommodates Delaunay sampling requirements to generate sparse sets of points for the production of high-quality tessellations.

Work done with Miriah Meyer and Ross Whitaker


Prof. Dr. Robert M. Kirby , SCI, University of Utah, USA
12.03.2008, 11:00
Die Explicit Jump Immersed Interface Methode und industrielle Anwendungen
Date: 12.03.2008
Time: 11:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Dr. Andreas Wiegmann
Fraunhofer, ITWM, Kaiserslautern

Die Explicit Jump Immersed Interface Methode und industrielle Anwendungen

Die Explicit Jump Immersed Interface Methode ist ein Finite Volumen Verfahren für elliptische Differentialgleichungen mit stückweise konstanten Koeffizienten bzw. in beliebigen Gebieten. Solche Differentialgleichungen treten bei der Berechnung effektiver Materialeigenschaften von Verbundwerk-stoffen bzw. poröser Medien auf. Durch das Aufkommen der Mikrocomputertomo-graphie und durch die große Rechenleistung moderner PC wird das Verfahren für viele Anwendungen interessant. Homogenisierte Lösungen von Poisson Aufgaben beschreiben die konduktive thermische Leitfähigkeit von Dämm-material. Lösungen der linearen Elastizität gekoppelt mit der Levelset Methode werden für die Topologieoptimierung eingesetzt. Außerdem findet das Verfahren Anwendung als schneller Stokes Löser zur Berechnung der Strömung in der Gasdiffusionsschicht von Brennstoffzellen und bei der Filtereffizienz- und Filterstandzeitsimulation verschiedener Filter im Automobil.

Dr. Andreas Wiegmann , Fraunhofer, ITWM, Kaiserslautern
12.03.2008, 14:00
Ein modulares Shaderframework für Volumenrendering (DA)
Date: 12.03.2008
Time: 14:00:00
Place: CeVis/MeVis, Seminarraum Mandelbrot, UNI 29
Speaker: Stephan Palmer
Universität Koblenz-Landau

Ein modulares Shaderframework für Volumenrendering (DA)

Shaderprogramme sind ein wichtiger Bestandteil echtzeitfähiger Volumenvisualisierung mit Hilfe programmierbarer Grafikhardware (GPU). Die Veränderung der Darstellung und die Integration neuer Effekte in einen Volumenrenderer gehen oft mit der Veränderung der genutzten Shaderprogramme einher. Im Rahmen der vorgestellten Diplomarbeit wurde ein Framework zur modularen Beschreibung von Shaderprogrammen im Kontext der Volumendarstellung entwickelt. Es erlaubt ein „Rapid Prototyping“ der erstellten Visualisierung. Dieser Vortrag stellt Anforderungen, Konzeption und Ergebnisse der Diplomarbeit vor. Die Integration in den Giga Voxel Renderer (GVR) und MeVisLab wird beschrieben.

Stephan Palmer , Universität Koblenz-Landau

Next Semester Program

Historical Programs

Further Material