Poröse Materialien sind von großer Bedeutung in verschiedenen Anwendungsbereichen und sind weit verbreitet sowohl in natürlicher oder technischer Herkunft. Ihre Eigenschaften werden in hohem Maße von der Struktur des Porenraumes bestimmt, die durch quantitative Parameter wie Porosität oder Porengrößenverteilung beschrieben werden kann. Für die Untersuchung poröser Materialien stehen verschiedene indirekte Porosimetrieverfahren zur Verfügung, die jedoch bei sehr großen Poren in der Größenordnung oberhalb von 10 um nur eingeschränkt anwendbar sind. Aus diesem Grund war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines Verfahrens zur direkten Charakterisierung großporiger Werkstoffe. Dabei sollte die NMR- Mikroskopie zur dreidimensionalen Abbildung des Porensystems verwendet werden und mit einer anschließenden Bildverarbeitung quantitative Parameter wie die Porengrößenverteilung ermittelt werden. Für die experimentellen Untersuchungen wurden zwei unterschiedliche Filtermaterialien ausgewählt, die Porengrößen oberhalb von 10 µm aufwiesen. Für die NMR-mikroskopische Abbildung des Porenraumes wurden die Materialien mit unterschiedlichen Intrusionsflüssigkeiten gefüllt, wobei dest. Wasser, Octamethylcyclotetrasiloxan und Dimethylsulfoxid verwendet wurden. Die NMR-mikroskopische Abbildung des Porenraumes erfolgte anhand der Protonen der verwendeten Intrusionsflüssigkeit, wobei eine 3D-Spinechopulssequenz verwendet wurde. Die maximal erreichte räumliche Auflösung lag bei einer Größe der isotropen Voxel von ca. 12 um. Weiterhin wurde von ausgewählten Proben dreidimensionale Aufnahmen mit der Röntgencomputertomographie angefertigt, sowie für einige Proben Messungen mit der Quecksilberporosimetriemessungen durchgeführt. Für die Auswertung der NMR-Mikroskopieaufnahmen wurde auf der Basis der kommerziellen Softwarebibliothek HORUS ein eigenes Bildverarbeitungsprogramm entwickelt. Dieses Programm analysiert schichtweise den 3D-Bilddatenstatz und ermittelt daraus Porengrößenverteilungen und Porenkanäle senkrecht zur Bildebene. Die Ergebnisse der Bildverarbeitung der NMR-Mikroskopieaufnahmen zeigen für die Glasfilterproben gute Übereinstimmungen mit den Herstellerangaben zu den Materialien. Die für die unterschiedlichen Glasfiltersorten ermittelten Porengrößenverteilungen widerspiegeln sowohl in ihren absoluten Werten als auch im Verhältnis zueinander gut die nominellen Porenweiten der ausgewählten Materialien. Die mit der Quecksilberintrusion ermittelten Porengrößenverteilungen zeigen eine Beziehung zu den durch die Bildverarbeitung ermittelten minimalen Weiten der Porenkanäle. Für die untersuchten Polyethylensintermaterialien wurden Porengrößenverteilungen ermittelt, die von den Herstellerangaben abweichen. Untersuchungen mit Quecksilberintrusionsmessungen und Elektronenmikroskopieaufnahmen ergaben ähnliche Resultate und stützten dadurch die NMR-mikroskopisch ermittelten Ergebnisse. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, daß sich die NMR-Mikroskopie in Verbindung mit der digitalen Bildverarbeitung gut für die quantitative Charakterisierung großporiger nichtmetallischer Systeme eignet. Es wurden entsprechende Bildverarbeitungsroutinen entwickelt und die experimentellen Bedingungen hinsichtlich der Steigerung der räumlichen Auflösung optimiert. / Porous materials are of great importance for many application and are widespread as well in their natural as in their technical occurence. Their properties are determined to a high degree by the structure of the pore space, which can be described quantitativly with parameters like porosity or pore size distribution. There are a number of indirect porosimetry methods for porous materials, however most of them are less suitable for large pores in the range above 10 microns. For this reason it was the purpose of the undertaken investigations to develop a method for the direct characterization of materials with large pores. The intention was to use the nmr microscopy for the three-dimensional imaging of the pore system and to determine quantitative parameters like the pore size distribution with a suitable image processing algorithm. For the experimental investigations two different filter materials were selected, which had pore widths larger than 10 microns. For the nmr microscopy imaging of the pore space the materials were filled with different intrusion fluids using distilled water, octamethylcyclotetrasiloxane, and dimethylsulfoxide. For the nmr microscopy imaging of the pore space the protons of the intrusion fluid were selected, using a three-dimensional spin echo sequence. The highest spatial resolution in the nmr microscopy experiments was at a size of approximately 12 microns for an isotropic voxel. Furthermore for a selected range of glass filter samples three-dimensional images were acquired with X-ray tomography and a number of samples were investigated with mercury porosimetry. For the analysis of the nmr microscopy data an image processing algorithm was programmed basing on the commercial imaging software library HORUS. This program sequentially analyses the slices of the 3D imaging dataset and calculates pore size distributions and extracts pore channels perpendicular to the slice plane. The results of the image processing of the nmr microscopy data show a good agreement with the manufactures specification for the glass filter, regarding the absolute values for the calculated pore size distributions and the relative values for different glass filter materials. The pore size distributions which were determined with mercury porosimetry show a good agreement with the minimal pore channel widths as they were determined from the image processing of the nmr microscopy data. The calculated pore size distributions of the investigated polyethylene sinter materials differed from the manufacturers specification. Investigations with mercury intrusion experiments and electron microscopy images gave similar results thus supporting the results from the nmr microscopy experiments. Within the scope of this work it could be demonstrated, that nmr microscopy in connection with a digital image analysis is very suitable for the quantitative characterization of non-metallic systems with large pores. The necessary image processing algorithms have been developed and the experimental parameters have been optimised in order to maximise the spatial resolution of the nmr microscopy images.

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines echtzeitfähigen Systems zur Erstellung von Tiefeninformation aus Stereobildpaaren, das in einer Reihe von Anwendungen zur dreidimensionalen Vermessung des Raumes herangezogen werden kann. Als Hauptanwendungsgebiete sind in erster Linie mobile Robotikapplikationen vorgesehen, die sehr strenge Anforderungen sowohl bezüglich des Ressourcenverbrauchs als auch im Hinblick auf die Messeigenschaften und das Laufzeitverhalten stellen. Ein Merkmal des in dieser Arbeit entworfenen Systems ist die in Echtzeit stattfindende Ausführung der verwendeten Algorithmen in Kombination mit sehr guten Messeigenschaften. Das verwendete Stereo-Matching-Verfahren basiert auf einem globalen Ansatz und liefert im Vergleich zu den alternativen echtzeitfähigen Methoden sehr gute Ergebnisse. Im Vordergrund steht dabei der Semi-Global-Matching-Algorithmus. Aufgrund der Komplexität globaler Ansätze finden in Echtzeitapplikationen nur lokale Stereo-Verfahren Verwendung. Lokale Verfahren liefern jedoch im Vergleich zu den globalen Methoden qualitativ schlechte Disparitätskarten. Ein neuer globaler Matching-Algorithmus Efficient-Semi-Global-Matching (eSGM) wird vorgestellt und in das Konzept für mobile Robotikanwendungen umgesetzt. Wegen der begrenzten Ressourcen der realen Hardware wurde eine Weiterentwicklung des eSGM-Algorithmus für die Realisierung genutzt. Abschließend wird das System anhand der drei Kerneigenschaften Laufzeit, Ressourcenverbrauch und Qualität der Tiefeninformation gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik bewertet. Der in dieser Arbeit vorgestellte FPGA-Ansatz, die eingesetzte Entwurfsmethode und die vorgestellten Algorithmen ermöglichten es, ein leistungsfähiges Stereo-Bildverarbeitungssystem zu entwickeln, das den hohen Anforderungen bezüglich des Laufzeitverhaltens und der Qualität des Ergebnisses gerecht wird. / This work presents a realtime stereo image matching system that takes advantage of a global image matching method. The system is designed to provide depth information for mobile robotic applications. Typical tasks of the proposed system are to assist in obstacle avoidance, SLAM and path planning of mobile robots, that pose strong requirements on the size, energy consumption, reliability, frame rate and quality of the calculated depth map. Current available systems either rely on active sensors or on local stereo-image matching algorithms. The first are only suitable in controlled environments while the second suffer from low quality depth-maps. Top ranking quality results are only achieved by an iterative approach using global image matching and colour segmentation techniques which are computationally demanding and therefore difficult to be executed in real time. Attempts were made to still reach real-time performance with global methods by simplifying the routines but led to degraded depth maps which are at the end almost comparable with local methods. An equally named semi-global algorithm was proposed earlier, that shows both very good image matching results and relatively simple execution at the same time. A memory efficient variant of the Semi-Global Matching algorithm is presented and adopted for an implementation based on reconfigurable hardware that is suitable for real-time operations in the field of robotics. It will be shown that the modified version of the efficient Semi-Global matching method is delivering equivalent result compared to the original algorithm. The complete design has been implemented within a hardware development framework that is also reviewed.

Bildverarbeitungsanwendungen stellen besondere Ansprüche an das ausführende Rechensystem. Einerseits ist eine hohe Rechenleistung erforderlich. Andererseits ist eine hohe Flexibilität von Vorteil, da die Entwicklung tendentiell ein experimenteller und interaktiver Prozess ist. Für neue Anwendungen tendieren Entwickler dazu, eine Rechenarchitektur zu wählen, die sie gut kennen, anstatt eine Architektur einzusetzen, die am besten zur Anwendung passt. Bildverarbeitungsalgorithmen sind inhärent parallel, doch herkömmliche bildverarbeitende eingebettete Systeme basieren meist auf sequentiell arbeitenden Prozessoren. Im Gegensatz zu dieser "Unstimmigkeit" können hocheffiziente Systeme aus einer gezielten Synergie aus Software- und Hardwarekomponenten aufgebaut werden. Die Konstruktion solcher System ist jedoch komplex und viele Lösungen, wie zum Beispiel grobgranulare Architekturen oder anwendungsspezifische Programmiersprachen, sind oft zu akademisch für einen Einsatz in der Wirtschaft. Die vorliegende Arbeit soll ein Beitrag dazu leisten, die Komplexität von Hardware-Software-Systemen zu reduzieren und damit die Entwicklung hochperformanter on-Chip-Systeme im Bereich Bildverarbeitung zu vereinfachen und wirtschaftlicher zu machen. Dabei wurde Wert darauf gelegt, den Aufwand für Einarbeitung, Entwicklung als auch Erweiterungen gering zu halten. Es wurde ein Entwurfsfluss konzipiert und umgesetzt, welcher es dem Softwareentwickler ermöglicht, Berechnungen durch Hardwarekomponenten zu beschleunigen und das zu Grunde liegende eingebettete System komplett zu prototypisieren. Hierbei werden komplexe Bildverarbeitungsanwendungen betrachtet, welche ein Betriebssystem erfordern, wie zum Beispiel verteilte Kamerasensornetzwerke. Die eingesetzte Software basiert auf Linux und der Bildverarbeitungsbibliothek OpenCV. Die Verteilung der Berechnungen auf Software- und Hardwarekomponenten und die daraus resultierende Ablaufplanung und Generierung der Rechenarchitektur erfolgt automatisch. Mittels einer auf der Antwortmengenprogrammierung basierten Entwurfsraumexploration ergeben sich Vorteile bei der Modellierung und Erweiterung. Die Systemsoftware wird mit OpenEmbedded/Bitbake synthetisiert und die erzeugten on-Chip-Architekturen auf FPGAs realisiert. / Image processing applications have special requirements to the executing computational system. On the one hand a high computational power is necessary. On the other hand a high flexibility is an advantage because the development tends to be an experimental and interactive process. For new applications the developer tend to choose a computational architecture which they know well instead of using that one which fits best to the application. Image processing algorithms are inherently parallel while common image processing systems are mostly based on sequentially operating processors. In contrast to this "mismatch", highly efficient systems can be setup of a directed synergy of software and hardware components. However, the construction of such systems is complex and lots of solutions, like gross-grained architectures or application specific programming languages, are often too academic for the usage in commerce. The present work should contribute to reduce the complexity of hardware-software-systems and thus increase the economy of and simplify the development of high-performance on-chip systems in the domain of image processing. In doing so, a value was set on keeping the effort low on making familiar to the topic, on development and also extensions. A design flow was developed and implemented which allows the software developer to accelerate calculations with hardware components and to prototype the whole embedded system. Here complex image processing systems, like distributed camera sensor networks, are examined which need an operating system. The used software is based upon Linux and the image processing library OpenCV. The distribution of the calculations to software and hardware components and the resulting scheduling and generation of architectures is done automatically. The design space exploration is based on answer set programming which involves advantages for modelling in terms of simplicity and extensions. The software is synthesized with the help of OpenEmbedded/Bitbake and the generated on-chip architectures are implemented on FPGAs.

Tetrahedral meshes are becoming more and more important for geo-modeling applications. The presented work introduces new algorithms for efficient visualization and modeling of tetrahedral meshes. Visualization consists of a generic framework that includes the extraction of geological information like stratigraphic columns, fault block boundaries, simultaneous co-rendering of different attributes and boolean operations of Constructive Solid Geometry with constant complexity. Modeling can be classified into geometric and implicit modeling. Geometric modeling addresses local mesh refinement to increase the numerical resolution of a given mesh. Implicit modeling covers the definition and manipulation of implicitly defined models. A new surface reconstruction method was developed to reconstruct complex, multi-valued surfaces from noisy and sparse data sets as they occur in geological applications. The surface can be bounded and may have discontinuities. Further, this work proposes a new and innovative algorithm for rapid editing of implicitly defined shapes like horizons based on the GeoChron parametrization. The editing is performed interactively on the 3d-volumetric model and geological constraints are respected automatically.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine flexibel zu verwendende Plattform für Visual Servoing-Aufgaben zu Erstellen, mit der eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungsfällen abgedeckt werden kann. Kernaufgabe der Arbeit ist es dabei, verschiedene Verfahren der Gesichtserkennung (face detection) am Beispiel der Haar-Kaskade und -wiedererkennung (face recognition) am Beispiel von Eigenfaces und Fisherfaces zu betrachten und an ausführlichen Beispielen vorzustellen. Dabei sollen allgemeine Grundbegriffe der Bildverarbeitung und bereits bekannte Verfahren vorgestellt und ihre Implementierung im Detail dargestellt werden. Aus den dadurch gewonnen Erkenntnissen und dem sich ergebenden Anforderungsprofil an die zu entwickelnde Plattform leitet sich anschließend die Realisierung als eigenständige Anwendung ab. Hierbei ist weiterhin zu untersuchen, wie die neu zu entwickelnde Software zukunftssicher und in Hinblick auf einen möglichen Einsatz in Praktika einfach zu verwenden realisiert werden kann. Sämtliche während der Arbeit entstandenen Programme und Quellcodes werden auf einem separaten Datenträger zur Verfügung gestellt. Eine komplett funktionsfähige Entwicklungsumgebung wird als virtuelle Maschine beigelegt.

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This thesis presents a new hardware accelerated approach using image processing and detection algorithms for implementing fast and robust traffic sign detection system with focus on speed limit sign detection. The proposed system targets reconfigurable integrated circuits particularly Field Programmable Gate Array (FPGA) devices. This work propose a fully parallelized and pipelined parallel system architecture to exploit the high performance and flexibility capabilities of FPGA devices. This thesis is divided into two phases, the first phase, is a software prototype implementation of the proposed system. The software system was designed and developed using C++ and OpenCV library on general purpose CPU. The prototype is used to explore and investigate potential segmentation and detection algorithms that might be feasible to design and implement in hardware accelerated environments. These algorithms includes RGB colour conversion, colour segmentation through thresholding, noise reduction through median filter, morphological operations through erosion and dilation, and sign detection through template matching. The second phase, a hardware-based design of the system was developed using the same algorithms used in the software design. The hardware design is composed of 20 image processing components each designed to xxx fully parallelized and pipelined xxx. The hardware implementation was developed using VHDL as the hardware description language targeting a Xilinix Virtex-6 FPGA XC6VLX240T device. The development environment is Xilinx ISE®Design Suite version 14.3. A set of 20 640x480 test images was used as the test data for the verification and testing of this work. The images was captured by a smart-phone camera in various weather and lightning conditions. The software implementation delivered speed limit detection results with a success rate of 75%. The hardware implementation was only simulated using Xilinx ISE Simulator (ISim) with a overall system latency of 12964 clock cycles. According to the Place and Route report the maximum operation frequency for the proposed hardware design is 71,2 MHz. The design only utilized 2% of the slice registers, 4% of the slice Look up Tables (LUT), and 11% of the block memory. This thesis project concludes the work based on the provided software and hardware implementation and performance analysis results. Also the conclusions chapter provides recommendations and future work for possible extension of the project.

Bildsensoren mit integrierter Signalverarbeitung - sog. "Vision Chips" - ermöglichen die Ausführung ansonsten rechenintensiver Verarbeitungsschritte während oder unmittelbar nach der Bildaufnahme. Gegenüber konventionellen CMOS-Bildsensoren, die sich vor allem durch eine gute Bildqualität auszeichnen, werden die auszugebenden Daten bereits auf dem Chip auf relevante Informationen beschränkt und lediglich extrahierte Merkmale anstelle vollständiger Bilder ausgegeben. Vision Chips ermöglichen somit eine sehr hohe Bildwiederholrate bei gleichzeitig deutlich niedrigeren Anforderungen bzgl. der Übertragungsbandbreite und sind insbesondere für die Beobachtung sehr schneller Prozesse attraktiv. Obwohl das Konzept der gemeinsamen Betrachtung von Bildaufnahme und -verarbeitung bereits in den Anfangsjahren der Halbleiter-Bildsensoren aufgegriffen wurde, können die meisten beschriebenen Sensoren als Machbarkeitsnachweise für bestimmte Pixelzellen- bzw. Bildverarbeitungstechnologien betrachtet werden. So finden sich, bis auf den in der optischen Maus eingesetzten Sensor zur Bestimmung der Verschiebung relativ zum Untergrund, nur für sehr wenige Sensoren Hinweise auf einen kommerziellen Einsatz. Neben einer geringen optischen Auflösung und einer eingeschränkten Empfindlichkeit können der Verzicht auf integrierte Steuerwerke und die erhebliche Komplexität bzgl. der Programmierung als wesentliche Hindernisse für einen breiten Einsatz genannt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden wesentliche Beiträge zu der zum Einsatz von Vision Chips in realen Aufgabenstellungen erforderlichen Infrastruktur geliefert. So wird zur Ansteuerung der einzelnen Funktionseinheiten (Functional Unit, FU) zunächst das Konzept eines integrierten, Multi-ASIP (Application Specific Instruction-set Processor) basierten Steuerwerks erarbeitet, das durch die Bereitstellung mehrerer Kontrollflüsse die Ansteuerung paralleler FU ermöglicht. Die praktische Umsetzung des Konzepts in Hardware erfolgt als Bestandteil eines Vision-System-on-Chip (VSoC). Dieses verfügt gegenüber dem Stand der Technik über eine höhere Auflösung sowie eine größere Empfindlichkeit und bildet die Grundlage der weiteren Betrachtungen. Eine umfangreiche Simulationsumgebung ermöglicht Untersuchungen implementierter Algorithmen sowohl hinsichtlich zeitabhängiger Effekte als auch bzgl. der Auswirkung einzelner, in Bildaufnahme- und Verarbeitung gezielt eingebrachter Fehler und Nicht-Idealitäten. Die zum Betrieb des VSoC erforderliche Entwicklungs- und Kameraplattform ist sowohl für den Einsatz unter realen Bedingungen als auch zur Entwicklung von Bildverarbeitungsaufgaben geeignet und ermöglicht dabei die transparente Nutzung der Simulationsumgebung komplementär zur eigentlichen Hardware. Zur Erschließung der vom VSoC bereitgestellten Funktionalität für tatsächliche Aufgabenstellungen erfolgt die ganzheitliche Betrachtung einer Bildverarbeitungsaufgabe bestehend aus VSoC-basierter Vor- und konventioneller Nachverarbeitung in Form sog. "Vision Tasks". Zur Vereinfachung der Implementierung werden parametrierbare Skeletons bereitgestellt, in denen generelle Abläufe zur Bildaufnahme und -verarbeitung hinterlegt werden. Basierend auf den entwickelten Konzepten werden schließlich mehrere Anwendungsbeispiele umgesetzt.

Transkranielle Elektrostimulation (tES) beschreibt eine Gruppe von Hirnstimulationstechniken, die einen schwachen elektrischen Strom über zwei nicht-invasiv am Kopf angebrachten Elektroden applizieren. Handelt es sich dabei um einen Gleichstrom, spricht man von transkranieller Gleichstromstimulation, auch tDCS abgekürzt. Die allgemeine Zielstellung aller Hirnstimulationstechniken ist Hirnfunktion durch ein Verstärken oder Dämpfen von Hirnaktivität zu beeinflussen. Unter den Stimulationstechniken wird die transkranielle Gleichstromstimulation als ein adjuvantes Werkzeug zur Unterstützung der mikroskopischen Reorganisation des Gehirnes in Folge von Lernprozessen und besonders der Rehabilitationstherapie nach einem Schlaganfall untersucht. Aktuelle Herausforderungen dieser Forschung sind eine hohe Variabilität im erreichten Stimulationseffekt zwischen den Probanden sowie ein unvollständiges Verständnis des Zusammenspiels der der Stimulation zugrundeliegenden Mechanismen. Als Schlüsselkomponente für das Verständnis der Stimulationsmechanismen wird das zwischen den Elektroden im Kopf des Probanden aufgebaute elektrische Feld erachtet. Einem grundlegenden Konzept folgend wird angenommen, dass Hirnareale, die einer größeren elektrischen Feldstärke ausgesetzt sind, ebenso einen höheren Stimulationseffekt erfahren. Damit kommt der Positionierung der Elektroden eine entscheidende Rolle für die Stimulation zu. Allerdings verteilt sich das elektrische Feld wegen des heterogenen elektrischen Leitfähigkeitsprofil des menschlichen Kopfes nicht uniform im Gehirn der Probanden. Außerdem ist das Verteilungsmuster auf Grund anatomischer Unterschiede zwischen den Probanden verschieden. Die triviale Abschätzung der Ausbreitung des elektrischen Feldes anhand der bloßen Position der Stimulationselektroden ist daher nicht ausreichend genau für eine zielgerichtete Stimulation. Computerbasierte, biophysikalische Simulationen der transkraniellen Elektrostimulation ermöglichen die individuelle Approximation des Verteilungsmusters des elektrischen Feldes in Probanden basierend auf deren medizinischen Bildgebungsdaten. Sie werden daher zunehmend verwendet, um tDCS-Anwendungen zu planen und verifizieren, und stellen ein wesentliches Hilfswerkzeug auf dem Weg zu individualisierter Schlaganfall-Rehabilitationstherapie dar. Softwaresysteme, die den dahinterstehenden individualisierten Verarbeitungsprozess erleichtern und für ein breites Feld an Forschern zugänglich machen, wurden in den vergangenen Jahren für den Anwendungsfall in gesunden Erwachsenen entwickelt. Jedoch bleibt die Simulation von Patienten mit krankhaftem Hirngewebe und strukturzerstörenden Läsionen eine nicht-triviale Aufgabe. Daher befasst sich das hier vorgestellte Projekt mit dem Aufbau und der praktischen Anwendung eines Arbeitsablaufes zur Simulation transkranieller Elektrostimulation. Dabei stand die Anforderung im Vordergrund medizinische Bildgebungsdaten insbesondere neurologischer Patienten mit krankhaft verändertem Hirngewebe verarbeiten zu können. Der grundlegende Arbeitsablauf zur Simulation wurde zunächst für gesunde Erwachsene entworfen und validiert. Dies umfasste die Zusammenstellung medizinischer Bildverarbeitungsalgorithmen zu einer umfangreichen Verarbeitungskette, um elektrisch relevante Strukturen in den Magnetresonanztomographiebildern des Kopfes und des Oberkörpers der Probanden zu identifizieren und zu extrahieren. Die identifizierten Strukturen mussten in Computermodelle überführt werden und das zugrundeliegende, physikalische Problem der elektrischen Volumenleitung in biologischen Geweben mit Hilfe numerischer Simulation gelöst werden. Im Verlauf des normalen Alterns ist das Gehirn strukturellen Veränderungen unterworfen, unter denen ein Verlust des Hirnvolumens sowie die Ausbildung mikroskopischer Veränderungen seiner Nervenfaserstruktur die Bedeutendsten sind. In einem zweiten Schritt wurde der Arbeitsablauf daher erweitert, um diese Phänomene des normalen Alterns zu berücksichtigen. Die vordergründige Herausforderung in diesem Teilprojekt war die biophysikalische Modellierung der veränderten Hirnmikrostruktur, da die resultierenden Veränderungen im Leitfähigkeitsprofil des Gehirns bisher noch nicht in der Literatur quantifiziert wurden. Die Erweiterung des Simulationsablauf zeichnete sich vorrangig dadurch aus, dass mit unsicheren elektrischen Leitfähigkeitswerten gearbeitet werden konnte. Damit war es möglich den Einfluss der ungenau bestimmbaren elektrischen Leitfähigkeit der verschiedenen biologischen Strukturen des menschlichen Kopfes auf das elektrische Feld zu ermitteln. In einer Simulationsstudie, in der Bilddaten von 88 Probanden einflossen, wurde die Auswirkung der veränderten Hirnfaserstruktur auf das elektrische Feld dann systematisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass sich diese Gewebsveränderungen hochgradig lokal und im Allgemeinen gering auswirken. Schließlich wurden in einem dritten Schritt Simulationen für Schlaganfallpatienten durchgeführt. Ihre großen, strukturzerstörenden Läsionen wurden dabei mit einem höheren Detailgrad als in bisherigen Arbeiten modelliert und physikalisch abermals mit unsicheren Leitfähigkeiten gearbeitet, was zu unsicheren elektrischen Feldabschätzungen führte. Es wurden individuell berechnete elektrische Felddaten mit der Hirnaktivierung von 18 Patienten in Verbindung gesetzt, unter Berücksichtigung der inhärenten Unsicherheit in der Bestimmung der elektrischen Felder. Das Ziel war zu ergründen, ob die Hirnstimulation einen positiven Einfluss auf die Hirnaktivität der Patienten im Kontext von Rehabilitationstherapie ausüben und so die Neuorganisierung des Gehirns nach einem Schlaganfall unterstützen kann. Während ein schwacher Zusammenhang hergestellt werden konnte, sind weitere Untersuchungen nötig, um diese Frage abschließend zu klären.:Kurzfassung Abstract Contents 1 Overview 2 Anatomical structures in magnetic resonance images 2 Anatomical structures in magnetic resonance images 2.1 Neuroanatomy 2.2 Magnetic resonance imaging 2.3 Segmentation of MR images 2.4 Image morphology 2.5 Summary 3 Magnetic resonance image processing pipeline 3.1 Introduction to human body modeling 3.2 Description of the processing pipeline 3.3 Intermediate and final outcomes in two subjects 3.4 Discussion, limitations & future work 3.5 Conclusion 4 Numerical simulation of transcranial electric stimulation 4.1 Electrostatic foundations 4.2 Discretization of electrostatic quantities 4.3 The numeric solution process 4.4 Spatial discretization by volume meshing 4.5 Summary 5 Simulation workflow 5.1 Overview of tES simulation pipelines 5.2 My implementation of a tES simulation workflow 5.3 Verification & application examples 5.4 Discussion & Conclusion 6 Transcranial direct current stimulation in the aging brain 6.1 Handling age-related brain changes in tES simulations 6.2 Procedure of the simulation study 6.3 Results of the uncertainty analysis 6.4 Findings, limitations and discussion 7 Transcranial direct current stimulation in stroke patients 7.1 Bridging the gap between simulated electric fields and brain activation in stroke patients 7.2 Methodology for relating simulated electric fields to functional MRI data 7.3 Evaluation of the simulation study and correlation analysis 7.4 Discussion & Conclusion 8 Outlooks for simulations of transcranial electric stimulation List of Figures List of Tables Glossary of Neuroscience Terms Glossary of Technical Terms Bibliography / Transcranial electric current stimulation (tES) denotes a group of brain stimulation techniques that apply a weak electric current over two or more non-invasively, head-mounted electrodes. When employing a direct-current, this method is denoted transcranial direct current stimulation (tDCS). The general aim of all tES techniques is the modulation of brain function by an up- or downregulation of brain activity. Among these, transcranial direct current stimulation is investigated as an adjuvant tool to promote processes of the microscopic reorganization of the brain as a consequence of learning and, more specifically, rehabilitation therapy after a stroke. Current challenges of this research are a high variability in the achieved stimulation effects across subjects and an incomplete understanding of the interplay between its underlying mechanisms. A key component to understanding the stimulation mechanism is considered the electric field, which is exerted by the electrodes and distributes in the subjects' heads. A principle concept assumes that brain areas exposed to a higher electric field strength likewise experience a higher stimulation. This attributes the positioning of the electrodes a decisive role for the stimulation. However, the electric field distributes non-uniformly across subjects' brains due to the heterogeneous electrical conductivity profile of the human head. Moreover, the distribution pattern is variable between subjects due to their individual anatomy. A trivial estimation of the distribution of the electric field solely based on the position of the stimulating electrodes is, therefore, not precise enough for a well-targeted stimulation. Computer-based biophysical simulations of transcranial electric stimulation enable the individual approximation of the distribution pattern of the electric field in subjects based on their medical imaging data. They are, thus, increasingly employed for the planning and verification of tDCS applications and constitute an essential tool on the way to individualized stroke rehabilitation therapy. Software pipelines facilitating the underlying individualized processing for a wide range of researchers have been developed for use in healthy adults over the past years, but, to date, the simulation of patients with abnormal brain tissue and structure disrupting lesions remains a non-trivial task. Therefore, the presented project was dedicated to establishing and practically applying a tES simulation workflow. The processing of medical imaging data of neurological patients with abnormal brain tissue was a central requirement in this process. The basic simulation workflow was first designed and validated for the simulation of healthy adults. This comprised compiling medical image processing algorithms into a comprehensive workflow to identify and extract electrically relevant physiological structures of the human head and upper torso from magnetic resonance images. The identified structures had to be converted to computational models. The underlying physical problem of electric volume conduction in biological tissue was solved by means of numeric simulation. Over the course of normal aging, the brain is subjected to structural alterations, among which a loss of brain volume and the development of microscopic alterations of its fiber structure are the most relevant. In a second step, the workflow was, thus, extended to incorporate these phenomena of normal aging. The main challenge in this subproject was the biophysical modeling of the altered brain microstructure as the resulting alterations to the conductivity profile of the brain were so far not quantified in the literature. Therefore, the augmentation of the workflow most notably included the modeling of uncertain electrical properties. With this, the influence of the uncertain electrical conductivity of the biological structures of the human head on the electric field could be assessed. In a simulation study, including imaging data of 88 subjects, the influence of the altered brain fiber structure on the electric field was then systematically investigated. These tissue alterations were found to exhibit a highly localized and generally low impact. Finally, in a third step, tDCS simulations of stroke patients were conducted. Their large, structure-disrupting lesions were modeled in a more detailed manner than in previous stroke simulation studies, and they were physically, again, modeled by uncertain electrical conductivity resulting in uncertain electric field estimates. Individually simulated electric fields were related to the brain activation of 18 patients, considering the inherently uncertain electric field estimations. The goal was to clarify whether the stimulation exerts a positive influence on brain function in the context of rehabilitation therapy supporting brain reorganization following a stroke. While a weak correlation could be established, further investigation will be necessary to answer that research question.:Kurzfassung Abstract Contents 1 Overview 2 Anatomical structures in magnetic resonance images 2 Anatomical structures in magnetic resonance images 2.1 Neuroanatomy 2.2 Magnetic resonance imaging 2.3 Segmentation of MR images 2.4 Image morphology 2.5 Summary 3 Magnetic resonance image processing pipeline 3.1 Introduction to human body modeling 3.2 Description of the processing pipeline 3.3 Intermediate and final outcomes in two subjects 3.4 Discussion, limitations & future work 3.5 Conclusion 4 Numerical simulation of transcranial electric stimulation 4.1 Electrostatic foundations 4.2 Discretization of electrostatic quantities 4.3 The numeric solution process 4.4 Spatial discretization by volume meshing 4.5 Summary 5 Simulation workflow 5.1 Overview of tES simulation pipelines 5.2 My implementation of a tES simulation workflow 5.3 Verification & application examples 5.4 Discussion & Conclusion 6 Transcranial direct current stimulation in the aging brain 6.1 Handling age-related brain changes in tES simulations 6.2 Procedure of the simulation study 6.3 Results of the uncertainty analysis 6.4 Findings, limitations and discussion 7 Transcranial direct current stimulation in stroke patients 7.1 Bridging the gap between simulated electric fields and brain activation in stroke patients 7.2 Methodology for relating simulated electric fields to functional MRI data 7.3 Evaluation of the simulation study and correlation analysis 7.4 Discussion & Conclusion 8 Outlooks for simulations of transcranial electric stimulation List of Figures List of Tables Glossary of Neuroscience Terms Glossary of Technical Terms Bibliography