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Visualization and Extraction of Carvings for Heritage Conservation
No full textWe present novel techniques for visualizing, illustrating, analyzing, and generating carvings in surfaces. In particular, we consider the carvings in the plaster of the cloister of the Magdeburg cathedral, which dates to the 13th century. Due to aging and weathering, the carvings have flattened. Historians and restorers are highly interested in using digitalization techniques to analyze carvings in historic artifacts and monuments and to get impressions and illustrations of their original shape and appearance. Moreover, museums and churches are interested in such illustrations for presenting them to visitors. The techniques that we propose allow for detecting, selecting, and visualizing carving structures. In addition, we introduce an example-based method for generating carvings. The resulting tool, which integrates all techniques, was evaluated by three experienced restorers to assess the usefulness and applicability. Furthermore, we compared our approach with exaggerated shading and other state-of-the-art methods.Accepted author manuscriptComputer Graphics and Visualisatio
Visual Analysis of Selected Human Anatomy
No full textIn this cumulative postdoctoral thesis, we present different methods for visual analysis of human anatomy (VAHA). The work is presented in three chapters, the first gives an overview of visualizations for selected medical applications and the following two concern specific medical fields, namely cardiovascular disease and aesthetic orthodontics.
In the first chapter, we begin with an introduction to maps of selected human anatomy. We approach such maps from a rather detailed perspective and describe them systematically along various guiding themes that are derived from geographic maps. Special focus is given to the presentation of the anatomy and the technical task that serves a clinical purpose. In the field of prenatal diagnostics, we present placenta maps that allow standardized in-vivo assessment of the placental health similar to
the ex-vivo assessment. We subsequently show maps of the human ribs and vertebrae in an anatomical layout to facilitate the examination of bone fractures and lesions. To assist in exploring and comparing family history in a chronological manner, we embed the ancestral graph in a geographic map, with the height being the year of birth. We then present a map display for instrument navigation in laparoscopic surgery. Since this is a delicate procedure, the evaluation of such maps is paramount. Optimally,
this is carried out in a controlled environment to allow objective and reproducible evaluation of the visualizations. Therefore, we introduce the augmented visualization box. The next map display incorporates explicit domain knowledge to assist physicians in scoring breast cancer lesions. Finally, we use animation for seamless transitions between dimensions in spatio-temporal map displays to explore dynamical systems in biology, and serial aortic measurements.
The next chapter is devoted to cardiovascular diseases, which represent a major health burden worldwide [383]. We approach such diseases in the context of VAHA from a rather holistic and interdisciplinary perspective. Specifically, we study aortic dissection and peripheral arterial disease (PAD) by employing visual analysis for an overarching clinical purpose. Aortic dissection is a rather uncommon but complex disease that requires lifelong follow-up patient examinations. This leads to a wealth of serial data that must be compared and analyzed in a concise and meaningful way to facilitate diagnosis and treatment decisions. PAD is more prevalent, but often underdiagnosed.
Accurate segmentation, visualization, and mapping of obstructive lesions in the large peripheral vessels continue to be major challenges in clinical practice. Despite numerous technical advances in imaging and postprocessing in recent years, the analysis of these vessels remains time-consuming and requires a high degree of user interaction. To obtain a holistic perspective of these vascular anatomies, a workflow
with the following steps is required: segmentation, measurement, and visualization. We present segmentation methods for aortic dissections and the large peripheral vessels, including complex and challenging cases. Next, we discuss how to measure the dissected aorta and improve the reproducibility of such measurements. These are depicted in customized map displays to facilitate the analysis of aortic dilatation over time. We also model several surface meshes of the multilayered aortic wall anatomy and, finally, discuss different rendering styles for their visualization In the last chapter, we venture into the field of aesthetic orthodontics. Missing teeth have a major
impact on a person’s health and a high global prevalence, with nearly one in four over the age of 60 years requiring a full denture [399]. The pain of such restorative treatment is often accompanied by the fear of an unaesthetic denture and its associated embarrassment. To create an appropriate and a dignified denture, we must view the anatomy and aesthetic orthodontics—also referred to as aesthetic
smile design—from a holistic perspective. This is a multifaceted challenge that requires considering aesthetics not only in terms of proportion and composition, but also in terms of a patient’s individual aspects, such as sex, personality, and age (SPA). To this end, we introduce a workflow for aesthetic smile analysis and design, consisting of the following steps: face detection, facial landmark detection, head and teeth pose estimation, visual analytics, and visual communication. To facilitate interactive fitting of teeth, we propose several customized visualizations that depict the changes in aesthetics either individually or in their composition. In this way, the preparation of the denture can be steered towards an aesthetic result. To reduce the number of try-in appointments and increase confidence in the treatment, we, finally, communicate the result of such a denture to patients and dental technicians by means of an augmented reality (AR) mirror.
All methods were developed during my time as a postdoctoral researcher, in an interdisciplinary team consisting of technical and medical experts. The publications corresponding to these methods are presented in the cumulative part of this postdoctoral thesis.In dieser kumulativen Habilitationsschrift stellen wir verschiedene Methoden für die visuelle Analyse menschlicher Anatomie vor. Die Arbeit wird in drei Kapiteln vorgestellt, wobei das erste einen Überblick über Visualisierungen für ausgewählte medizinische Anwendungen gibt und die beiden folgenden spezifische medizinische Bereiche behandeln, nämlich Herz-Kreislauf-Erkrankungen und ästhetische Kieferorthopädie.
Im ersten Kapitel beginnen wir mit einer Einführung in Karten ausgewählter menschlicher Anatomie. Wir betrachten solche Karten aus einer eher detaillierten Perspektive und beschreiben sie systematisch entlang verschiedener Leitthemen, die von geographischen Karten abgeleitet sind. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Darstellung der Anatomie und der technischen Aufgabe, die einem klinischen Zweck dient. Für den Bereich der Pränataldiagnostik stellen wir Plazentakarten vor, die eine
standardisierte Beurteilung der Plazentagesundheit in-vivo ähnlich der Beurteilung ex-vivo ermöglichen.
Anschließend zeigen wir Karten der menschlichen Rippen und Wirbel anatomisch angeordnet, um die Untersuchung von Knochenbrüchen und -läsionen zu erleichtern. Um die Erforschung und den Vergleich der Familiengeschichte auf chronologische Weise zu ermöglichen, betten wir den Ahnengraph in eine geografische Karte ein, wobei die Höhe das Geburtsjahr darstellt. Anschließend stellen wir eine Kartendarstellung für die Instrumentennavigation in der laparoskopischen Chirurgie vor. Da es sich hierbei um ein heikles Verfahren handelt, ist die Auswertung solcher Karten von größter Bedeutung.
Optimalerweise wird dies in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt, um eine objektive und reproduzierbare Bewertung der Visualisierungen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck führen wir die erweiterte Visualisierungsbox ein. In die nächste Kartendarstellung fließt explizites Fachwissen ein, um ÄrztInnen bei der Bewertung von Brustkrebsläsionen zu unterstützen. Schließlich verwenden wir Animationen für nahtlose Übergänge zwischen Dimensionen in räumlich-zeitlichen Kartendarstellungen,
um dynamische Systeme in der Biologie, und serielle Aortenmessungen zu untersuchen.
Das nächste Kapitel ist den Herz-Kreislauf-Erkrankungen gewidmet, die weltweit eine große gesundheitliche Herausforderung darstellen [383]. Wir nähern uns solchen Krankheiten im Kontext der visuellen Analyse menschlicher Anatomie aus einer eher ganzheitlichen und interdisziplinären Perspektive. Insbesondere untersuchen wir die Aortendissektion und periphere arterielle Verschlusskrankheit (PAVK), indem wir die visuelle Analyse für einen überspannenden klinischen Zweck einsetzen. Die Aortendissektion ist eine eher seltene, aber komplexe Erkrankung, die lebenslange
Nachuntersuchungen der PatientInnen erfordert. Dies führt zu einer Fülle von Seriendaten, die verglichen und auf eine übersichtliche und aussagekräftige Weise analysiert werden müssen, um Diagnose- und Behandlungsentscheidungen zu erleichtern. Die PAVK ist häufiger, wird aber oft unterdiagnostiziert. Die genaue Segmentierung, Visualisierung, und das Mapping von obstruktiven Läsionen in
den langen peripheren Gefäßen stellen in der klinischen Praxis nach wie vor große Herausforderungen dar. Trotz zahlreicher technischer Fortschritte bei der Bildgebung und Nachbearbeitung in den letzten Jahren ist die Analyse dieser Gefäße nach wie vor zeitaufwändig und erfordert ein hohes Maß an BenutzerInneninteraktion. Um eine ganzheitliche Perspektive auf diese Gefäßanatomien zu erhalten, ist ein Arbeitsablauf mit den folgenden Schritten erforderlich: Segmentierung, Vermessung und Visualisierung. Wir stellen Segmentierungsmethoden der Aortendissektionen und der langen peripheren Gefäße vor, einschließlich komplexer und schwieriger Fälle. Anschließend wird erörtert, wie die Aortendissektionen vermessen und die Reproduzierbarkeit solcher Messungen verbessert werden kann. Diese werden in maßgeschneiderten Karten dargestellt, um die Analyse der Aortendilatation im
Zeitverlauf zu erleichtern. Wir modellieren auch verschiedene Oberflächennetze der mehrschichtigen Aortenwandanatomie und diskutieren schließlich verschiedene Darstellungsstile für deren Visualisierung.
Im letzten Kapitel begeben wir uns auf das Gebiet der ästhetischen Kieferorthopädie. Fehlende Zähne haben einen großen Einfluss auf die Gesundheit eines Menschen und eine hohe globale Prävalenz, wobei fast jeder Vierte über 60 Jahre eine Vollprothese benötigt [399]. Die Schmerzen, die eine solche restaurative Behandlung mit sich bringt, werden oft von der Angst vor einem unästhetischen Zahnersatz und der damit verbundenen Scham begleitet. Um einen angemessenen und würdevollen
Zahnersatz anzufertigen, müssen wir die Anatomie und die ästhetische Kieferorthopädie—auch als ästhetische Lachgestaltung bezeichnet—aus einer ganzheitlichen Perspektive betrachten. Dies ist eine vielschichtige Herausforderung, bei der die Ästhetik nicht nur in Bezug auf Proportion und Komposition, sondern auch in Bezug auf die individuellen Eigenschaften eines Patienten/einer Patientin, wie z.B. Geschlecht, Persönlichkeit, und Alter, berücksichtigt werden muss. Zu diesem Zweck stellen wir einen Arbeitsablauf für die Analyse und das Gestalten eines ästhetischen Lächelns vor, der aus den folgenden Schritten besteht: Gesichtserkennung, Erkennung von Gesichtsmerkmalen, Schätzung der Kopf- und Zahnstellung, visuelle Analyse und visuelle Kommunikation. Zur Erleichterung der interaktiven Anpassung von Zähnen schlagen wir mehrere maßgeschneiderte Visualisierungen vor, welche die Änderungen der Ästhetik entweder einzeln oder in ihrer Komposition darstellen. Auf diese Weise kann die Anfertigung des Zahnersatzes in Richtung eines ästhetischen Ergebnisses gelenkt werden. Um die Anzahl der Anproben zu reduzieren und das Vertrauen in die Behandlung zu erhöhen, präsentieren wir PatientInnen und ZahntechnikerInnen das Ergebnis eines solchen Zahnersatzes schließlich mit Hilfe eines erweiterten Realitätsspiegels.
Alle Methoden wurden während meiner Zeit als Postdoktorand in einem interdisziplinären Team aus technischen und medizinischen ExpertInnen entwickelt. Die Veröffentlichungen zu diesen Methoden werden im kumulativen Teil dieser Habilitationsschrift vorgestellt
Collaborative virtual reality for laparoscopic liver surgery training and planning
No full textChirurgische Trainings- und Planungssoftware für die laparoskopische Leberchirurgie
ist für die mentale Vorbereitung, die Unterstützung der Entscheidungsfindung sowie
die Verbesserung der psychomotorischen Fähigkeiten essentiell. Desktop-basierte Systeme
sind leicht zugänglich, bieten jedoch im Vergleich zu Virtual-Reality-Systemen
(VR-Systemen) nur eingeschränkte Interaktions- und Visualisierungsmöglichkeiten.
Zudem sind ein kollaboratives Training und die Planung mit mehreren Chirurgen nur
begrenzt möglich.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung neuartiger immersiver VR-Anwendungen
zur Unterstützung von Ärzten bei der Ausbildung, Planung und interprofessionellen
Zusammenarbeit in der laparoskopischen Leberchirurgie. Dies kann sowohl in einer
gemeinsamen Umgebung als auch räumlich getrennt stattfinden. Zunächst wird
eine kollaborative VR-Umgebung für die Ausbildung in der laparoskopischen Leberchirurgie
erforscht und entwickelt. Hierfür werden laparoskopische chirurgische Joysticks
verwendet und in einen virtuellen Operationssaal integriert. Laparoskopische
Verfahren, wie die Simulation von Schnitten in Echtzeit, werden in diesem Zusammenhang
anhand von Patientendaten realisiert und ausgewertet. Außerdem wird eine
Möglichkeit für das interprofessionelle Teamtraining innerhalb der laparoskopischen
Umgebung vorgestellt. Ziel ist es, die intraoperative Kommunikation zwischen Chirurgenteams
und Anästhesisten während Eingriffen zu verbessern und zu trainieren. Dazu
werden zwei medizinische Trainingsszenarien ausgearbeitet und von Experten bewertet.
In einem weiteren Schritt wird eine kollaborative VR-Umgebung für die Planung
von Leberoperationen untersucht. Hierbei erfolgt eine Verbesserung der Resektionsplanung
durch eine erweiterte virtuelle Resektionstechnik sowie eine Echtzeit-
Visualisierung der Risikokarte. Schlussendlich wird eine fortgeschrittene chirurgische
Trainingsumgebung entwickelt, welche die vorgestellten Prototypen für das laparoskopische
Training, das interprofessionelle Teamtraining und die Planung der
Leberchirurgie in einer Umgebung zusammenführt. In diesem Kontext wird eine
Technik zur Optimierung der Gruppennavigation in der kollaborativen VR-Umgebung
präsentiert.
Jede Umgebung wurde von Fachleuten in einer Nutzerstudie evaluiert. Die Ergebnisse
liefern wertvolle Erkenntnisse über potenzielle Vorteile sowie klinische Anwendbarkeit
und beinhalten Feedback für weitere Verbesserungen. In dieser Arbeit wird ein
neuer Ansatz für die Zusammenarbeit bei der chirurgischen Planung und Ausbildung
vorgestellt. Dieser bildet die Grundlage für eine umfassende klinische Bewertung, lässt
sich auf andere chirurgische Disziplinen übertragen und eröffnet neue Wege für die
künftige chirurgische Ausbildung.Surgical training and planning software in laparoscopic liver surgery is essential in providing
mental preparation, supporting decision making, and improving psychomotor
skills. Desktop-based systems are easily-accessible. However, they provide limited interaction
and visualization possibilities compared to virtual reality (VR) setups. Moreover,
collaborative training and planning among surgeons are only viable to a limited
extent.
Within this dissertation, the aim is to investigate novel immersive VR to support physicians
in laparoscopic liver surgery training, planning, and interprofessional collaboration
in a co-located or remote environment. First, a collaborative VR environment for
laparoscopic liver surgery training is investigated and developed. Laparoscopic surgical
joysticks are used and integrated into a virtual operating room, and laparoscopic procedures,
such as real-time cutting simulation on real patient data, are developed and evaluated.
Second, an environment for interprofessional team training in the laparoscopic
setting is proposed. The aim is to improve and train intraoperative communication between
surgical teams and anesthesiologists during laparoscopic procedures. Therefore,
two medical training scenarios are proposed and assessed by experts. Third, a collaborative
VR environment aimed at liver surgery planning is investigated. This objective
is to improve virtual resection planning with an enhanced virtual resection technique
and a real-time risk map visualization. The last objective of this dissertation is to develop
an advanced surgical training environment, which is an integration of proposed
prototypes of laparoscopic training, interprofessional team training, and liver surgery
planning, into one environment. Moreover, a group navigation technique is proposed
to optimize the navigation processes in the collaborative VR environment.
Each proposed environment was evaluated by domain experts in a user study. The results
reveal valuable insights on potential benefits, clinical applicability, and feedback
for further improvement. This dissertation presents a new approach for collaboration in
surgical planning and training. It builds a basis for extensive clinical evaluation, transfers
to other surgical disciplines, and opens new directions for future surgical training
Perception-guided evaluation of 3D medical visualizations
Full text linkMagdeburg, Univ., Fak. für Informatik, Diss., 2015von Alexandra Bae
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Visual analytics of medical and biological data
Full text linkOtto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Informatik, Habilitationsschrift, 2016von Dr.-Ing. Steffen Oeltze-JafraLiteraturverzeichnis: Seite 219-23
Context-aware 3D model generation for biomedical applications
Full text linkMagdeburg, Univ., Fak. für Informatik, Diss., 2014von Tobias Jürgen Mönc
Visual analytics of epidemiological and multi-omics data
No full textKohortenstudien zielen darauf ab, Risikofaktoren zu identifizieren, die den
Gesundheitszustand einer Bevölkerung in Bezug auf bestimmte Krankheiten
beeinflussen können. In der Epidemiologie werden die Teilnehmer von Gesundheitsstudien
zur Ermittlung der Risikofaktoren einer Krankheit hinsichtlich
verschiedener gesundheitsbezogener Aspekte beobachtet, die bei der Entwicklung
der Zielkrankheit eine Rolle spielen können. Diese Aspekte umfassten viele
Faktoren wie Lebensstil (z. B. Rauchen oder Alkoholkonsum) oderMedikamente
(z. B. Drogenkonsum), aktuelle Gesundheit (z. B. Diabetes oder erhöhter Blutdruck)
und soziodemografische Faktoren (z. B. Geschlecht, Familienstand).
UmdieDaten zu sammeln,werden Personen eingeladen, an der Studie teilzunehmen.
Die Informationen von den Individuen werden durch Interviews erhalten, z.B.
Fragen zu ihren Gewohnheiten und demaktuellen Gesundheitszustand. Darüber
hinaus werden medizinische Bilder akquiriert, umAnomalien zu entdecken, z.B.
erhöhte Brustdichte. In Kohortenstudien werden dieselben Personen erneut zur
Studie eingeladen, umdie Untersuchungen zu wiederholen und die zeitlichen
Veränderungen zu beobachten. Der Zweck dieser Nachuntersuchungen besteht
darin, den möglichen Zusammenhang zwischen den Krankheiten und den
Risikofaktoren zu identifizieren. Fehlende Daten sind jedoch ein unvermeidlicher
Bestandteil solcher Studien, bei denen einige Personen aus der Studie
ausscheiden oder die Aufzeichnungen unvollständig sind. Diese Arbeit bietet
halbüberwachte visuelle Analyse-Frameworks, um diskriminierende Subpopulationen
in Kohortenstudiendaten zu untersuchen und zu entdecken. Um
dies zu erreichen, bieten interaktiv koordinierte Mehrfachansichtsysteme die
Möglichkeit, um die verschiedenen Assoziationen zwischen Daten und Funktionen
zu untersuchen. Mit S-ADVIsED kann der Analyst die Ergebnisse des
Subspace-Clusters untersuchen und visuell validieren. Mit DiscoVA kann der
Analyst Subpopulationen anhand verschiedener Datentypen (z. B.Multi-Omics
und klinische Daten) identifizieren.
Umfehlende Daten in Längsschnittstudiendaten zu behandeln, bietet das VIVID
Framework außerdem Methoden zur Imputation (z. B. Mehrfachimputation)
und zur Überprüfung der Plausibilität der ErgebnisseCohort studies aim to identify risk factors that may influence the health conditions
of a population regarding specific diseases. In epidemiology science, to
discover the risk factors of a disease, the cohort individuals are observed regarding
different health-related aspects that may have a role in developing the target
disease. These aspects involved many factors like lifestyle (e.g. smoking or alcohol
consumption), or medicament (e.g. taking drugs), current health situations
(e.g. diabetes or having elevated blood pressure), and socio-demographic factors
(e.g. gender,marital status).
To collect the data, people are invited to join the study via advertisements. The
information from the individuals is acquired by having interviews, e.g. asking
questions about their habits examinations and doing to find out the current
health condition of individuals. Moreover, medical images are prepared to discover
probable abnormalities, e.g. breast density. In cohort study data, the same
individuals are re-invited to the study to repeat the examinations and observe the
changes over time in different time points. The purpose of these follow-ups is to
identify the possible link between the diseases and risk factors. However,missing
data are an inevitable part of such studies where some individuals drop from the
study of the records is incomplete. This thesis provides semi-supervised visual
analytics frameworks to explore and discover discriminative subpopulations in
cohort study data. To reach this, interactive coordinated multiple views systems
provide a platform to investigate the different associations between the data
and features. S-ADVIsED enables the analyst to explore the results of subspace
clustering and also validate the results visually. DiscoVA enables the analyst to
identify subpopulations using different data types (e.g. multi-omics and clinical
data).
Additionally, to handle missing data in longitudinal study data, VIVID framework
provides the methods to explore and impute (e.g. multiple imputation)
the missing values. Moreover, it allows the expert to check the plausibility of the
results
Computergestützte Exploration von Blutfluss in zerebralen Aneurysmen : geometrische Verarbeitung und interaktive Visualisierung
Full text linkMagdeburg, Univ., Fak. für Informatik, Diss., 2014von Mathias Neugebaue
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