Computergestützte Visualisierung eines human-embryonalen Gehirns

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.