Augsburg, Univ., Diss., 2008.

Universiẗat, Diss., 1999--Osnabrück.

Universiẗat, Diss., 2001--München.

Universiẗat, Diss., 2003--Kassel.

Der 3D-Druck ist ein elementarer Bestandteil der Biofabrikation. Beispielsweise wird mittels Biotinten und einem geeigneten 3D-Druckverfahren Schicht für Schicht eine Geometrie aufgebaut. Durch die Gestaltung von mikrofluidischen Druckköpfen wird eine Möglichkeit geschaffen multiple Materialansätze im Druckkopf zu vermischen und so in einem bestimmten Mischungsverhältnis zu drucken. Mit dem DLP-SLA-Drucker Vida HD Crown and Bridge (EnvisionTEC) und dem Harz E-Shell 600 (EnvisionTEC) wurden zunächst die Auflösungsgrenzen des Druckers ermittelt sowie Komponenten für die Realisierung eines mikrofluidischen Druckkopfes prozessiert. Bei den Komponenten handelt es sich zum einen um Geometrien, die beispielsweise als Mischeinheit im Kanal dienen können und des Weiteren um senkrechte Kanäle die Biotinten führen können, sowie um Kanäle, die als Zuläufe für den Hauptkanal des mikrofluidischen Druckkopfs dienen können. Die Eigenschaften und die technische Realisierbarkeit der gedruckten Objekte wurden eruiert. Dabei wurden die jeweiligen Geometrien und Kanalöffnungen vermessen, große Aspektverhältnisse der Geometrien untersucht und die Durchgängigkeit der Kanäle geprüft. Zukünftig können die prozessierten Komponenten für einen mikrofluidischen Druckkopf variabel kombiniert werden und auf dieser Basis weiterführende Experimente stattfinden. / 3D printing is an essential part of biofabrication. For example, geometries are built up layer by layer using bio-inks and a suitable 3D printing process. New options are given by the fabrication of a microfluidic print head. The design of microfluidic print heads creates the possibility of mixing multiple materials inside the print head and thus start printing certain mixing ratios. The resolution limits of the DLP-SLA printer Vida HD Crown and Bridge (EnvisionTEC) using the resin E-Shell 600 (EnvisionTEC) were first determined and components for the layout of a microfluidic print head were processed. The components are, on one hand, geometries that can serve as a mixing device inside the channel, and on the other hand, vertical channels that can carry bio-inks and channels that serve as inlets for the main channel of the microfluidic print head. The properties of the printed objects were examined, the respective geometries and channel openings were measured, large aspect ratios of the geometries were examined and the consistency of the channels investigated. In future, the processed components for a microfluidic print head can be combined variably and further experiments can take place on this basis.

In der vorliegenden Studie wurde an 50 3D-gedruckten Molaren mit einer konstruierten Referenzkaries das Ausmaß der vollständigen Kariesentfernung flächenabhängig überprüft. Die untersuchten Zähne wurden mit einer simulierten, standardisierten und mehrflächigen Karies versehen. Studierende der Zahnmedizin haben die Karies entfernt, die Kavität mit einer Aufbaufüllung versorgt und die Zähne für eine Vollkrone präpariert. Um die Kariesentfernung zu bewerten, wurden DVT-Aufnahmen und dreidimensionale Scans angefertigt. Aus den DVT-Datensätzen im DICOM-Format wurden die Aufbaufüllungen der Zähne mithilfe digitaler Bildverarbeitung segmentiert und als eigenständige 3D-Modelle dargestellt. Anschließend erfolgte die Überlagerung der Aufbaufüllungen auf den Referenzzahn aus der Konstruktionsdatei der Zähne. Mit der Konstruktionssoftware Autodesk Fusion 360 wurden die Aufbaufüllungen in Volumenkörper umgewandelt und mit der Karies des Referenzzahnes verglichen. Da sich die Aufbaufüllungen mit der Referenzkaries überschneiden, konnte die Software mit ihrer Teilungsfunktion nicht überschneidende Teile separieren. Abhängig von der Lage der Kavität, in der sich die überschüssigen Volumenkörper befanden, wurden jene als Restkaries oder überexkavierte Zahnhartsubstanz identifiziert. Die gemessenen Volumina von Restkaries ergaben, dass an der distalen Zahnfläche im Vergleich zur bukkalen und okklusalen signifikant mehr Karies verblieben war. Ein weiterer signifikanter Unterschied konnte zwischen mesial und bukkal, jedoch nicht zwischen mesial und okklusal festgestellt werden. Bei der Überexkavation gab es zwischen den Zahnflächen keine Unterschiede. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kariesentfernung an den approximalen Zahnflächen für die Studierenden eine höhere manuelle Herausforderung darstellte. Neben der volumetrischen Vermessung ermöglichte die dreidimensionale Visualisierung von Restkaries und der überexkavierten Zahnhartsubstanz eine objektive Bewertung des Behandlungsergebnisses für die Studierenden und deren Ausbilder. Besonders der Vergleich mit einer Referenz schaffte eine valide und nachvollziehbare Beurteilung der Kariesübung an 3D-gedruckten Zähnen. / In the present study, the extent of complete caries removal was checked on 50 3D-printed molars with a constructed reference caries depending on the tooth surface. The examined teeth were created with a simulated, standardized and multi-surface caries. Dental students removed the caries, filled the cavity with a buildup filling and prepared the teeth for a crown. To assess caries removal, CBCT and three-dimensional scans were taken. From the DVT datasets in DICOM format, the buildup fillings of the teeth were segmented using digital image processing and displayed as 3D models. Then the buildup fillings were matched with the reference tooth from the design file of the teeth. With the Autodesk Fusion 360 design software, the buildup fillings were converted into solids and compared to the caries of the reference tooth. Because the buildup fillings overlap with the reference caries, the software was able to separate non-overlapping parts with its splitting function. Depending on the location of the cavity in which the solids were located, those were identified as residual caries or over-excavated tooth structure. The measured volumes of residual caries showed that significantly more caries was left on the distal tooth surface compared to the buccal and occlusal. Another significant difference was found between mesial and buccal, but not between mesial and occlusal. There were no significant differences in overexcavation between the tooth surfaces. The results showed that caries removal on the approximal tooth surfaces is a higher manual challenge for the students. In addition to volumetric measurement, the three-dimensional visualization of residual caries and over-excavated tooth structure enabled an objective evaluation of the treatment result for the students and their trainers. Especially the comparison with a reference allowed a valid and comprehensible assessment of the caries exercise on 3D-printed teeth.

Optical Character Recognition (OCR) on historical printings is a challenging task mainly due to the complexity of the layout and the highly variant typography. Nevertheless, in the last few years great progress has been made in the area of historical OCR resulting in several powerful open-source tools for preprocessing, layout analysis and segmentation, Automatic Text Recognition (ATR) and postcorrection. Their major drawback is that they only offer limited applicability by non-technical users like humanist scholars, in particular when it comes to the combined use of several tools in a workflow. Furthermore, depending on the material, these tools are usually not able to fully automatically achieve sufficiently low error rates, let alone perfect results, creating a demand for an interactive postcorrection functionality which, however, is generally not incorporated. This thesis addresses these issues by presenting an open-source OCR software called OCR4all which combines state-of-the-art OCR components and continuous model training into a comprehensive workflow. While a variety of materials can already be processed fully automatically, books with more complex layouts require manual intervention by the users. This is mostly due to the fact that the required Ground Truth (GT) for training stronger mixed models (for segmentation as well as text recognition) is not available, yet, neither in the desired quantity nor quality. To deal with this issue in the short run, OCR4all offers better recognition capabilities in combination with a very comfortable Graphical User Interface (GUI) that allows error corrections not only in the final output, but already in early stages to minimize error propagation. In the long run this constant manual correction produces large quantities of valuable, high quality training material which can be used to improve fully automatic approaches. Further on, extensive configuration capabilities are provided to set the degree of automation of the workflow and to make adaptations to the carefully selected default parameters for specific printings, if necessary. The architecture of OCR4all allows for an easy integration (or substitution) of newly developed tools for its main components by supporting standardized interfaces like PageXML, thus aiming at continual higher automation for historical printings. In addition to OCR4all, several methodical extensions in the form of accuracy improving techniques for training and recognition are presented. Most notably an effective, sophisticated, and adaptable voting methodology using a single ATR engine, a pretraining procedure, and an Active Learning (AL) component are proposed. Experiments showed that combining pretraining and voting significantly improves the effectiveness of book-specific training, reducing the obtained Character Error Rates (CERs) by more than 50%. The proposed extensions were further evaluated during two real world case studies: First, the voting and pretraining techniques are transferred to the task of constructing so-called mixed models which are trained on a variety of different fonts. This was done by using 19th century Fraktur script as an example, resulting in a considerable improvement over a variety of existing open-source and commercial engines and models. Second, the extension from ATR on raw text to the adjacent topic of typography recognition was successfully addressed by thoroughly indexing a historical lexicon that heavily relies on different font types in order to encode its complex semantic structure. During the main experiments on very complex early printed books even users with minimal or no experience were able to not only comfortably deal with the challenges presented by the complex layout, but also to recognize the text with manageable effort and great quality, achieving excellent CERs below 0.5%. Furthermore, the fully automated application on 19th century novels showed that OCR4all (average CER of 0.85%) can considerably outperform the commercial state-of-the-art tool ABBYY Finereader (5.3%) on moderate layouts if suitably pretrained mixed ATR models are available. / Die Optische Zeichenerkennung (Optical Character Recognition, OCR) auf historischen Drucken stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar, hauptsächlich aufgrund des häufig komplexen Layouts und der hoch varianten Typographie. In den letzten Jahre gab es große Fortschritte im Bereich der historischen OCR, die nicht selten auch in Form von Open Source Tools interessierten Nutzenden frei zur Verfügung stehen. Der Nachteil dieser Tools ist, dass sie meist ausschließlich über die Kommandozeile bedient werden können und somit nicht-technische Nutzer schnell überfordern. Außerdem sind die Tools häufig nicht aufeinander abgestimmt und verfügen dementsprechend nicht über gemeinsame Schnittstellen. Diese Arbeit adressiert diese Problematik mittels des Open Source Tools OCR4all, das verschiedene State-of-the-Art OCR Lösungen zu einem zusammenhängenden Workflow kombiniert und in einer einzigen Anwendung kapselt. Besonderer Wert liegt dabei darauf, auch nicht-technischen Nutzern zu erlauben, selbst die ältesten und anspruchsvollen Drucke selbstständig und mit höchster Qualität zu erfassen. OCR4all ist vollständig über eine komfortable graphische Nutzeroberfläche bedienbar und bietet umfangreiche Möglichkeiten hinsichtlich Konfiguration und interaktiver Nachkorrektur. Zusätzlich zu OCR4all werden mehrere methodische Erweiterungen präsentiert, um die Effektivität und Effizienz der Trainings- und Erkennungsprozesse zur Texterkennung zu optimieren. Während umfangreicher Evaluationen konnte gezeigt werden, dass selbst Nutzer ohne nennenswerte Vorerfahrung in der Lage waren, OCR4all eigenständig auf komplexe historische Drucke anzuwenden und dort hervorragende Zeichenfehlerraten von durchschnittlich unter 0,5% zu erzielen. Die methodischen Verbesserungen mit Blick auf die Texterkennung reduzierten dabei die Fehlerrate um über 50% im Vergleich zum etablierten Standardansatz.

This thesis encompasses the development of the additive manufacturing technology melt electrowriting, in order to achieve the improved applicability in biomedical applications and design of scaffolds. Melt electrowriting is a process capable of producing highly resolved structures from microscale fibres. Nevertheless, there are parameters influencing the process and it has not been clear how they affect the printing result. In this thesis the influence of the processing and environmental parameters is investigated with the impact on their effect on the jet speed, fibre diameter and scaffold morphology, which has not been reported in the literature to date and significantly influences the printing quality. It was demonstrated that at higher ambient printing temperatures the fibres can be hampered to the extent that the individual fibres are completely molten together and increased air humidity intensifies this effect. It was also shown how such parameters as applied voltage, collector distance, feed pressure and polymer temperature influence the fibre diameter and critical translation speed. Based on these results, a detailed investigation of the fibre diameter control and printing of scaffolds with novel architectures was made. As an example, a 20-fold diameter ratio is obtained within one scaffold by changing the collector speed and the feed pressure during the printing process. Although the pressure change caused fibre diameter oscillations, different diameter fibres were successfully integrated into two scaffold designs, which were tested for mesenchymal stromal cell suspension and adipose tissue spheroid seeding. Further design and manufacturing aspects are discussed while jet attraction to the printed structures is illuminated in connection with the fibre positioning control of the multilayer scaffolds. The artefacts that appear with the increasing scaffold height of sinusoidal laydown patterns are counteracted by layer-by-layer path adjustment. For the prediction of a printing error of the first deposited layer, an algorithm is developed, that utilizes an empirical jet lag equation and the speed of fibre deposition. This model was able to predict the position of the printing fibre with up to ten times smaller error than the of the programmed path. The same model allows to qualitatively assess the fibre diameter change along the nonlinear pattern as well as to indicate the areas of the greatest pattern deformation with the growing scaffold height. Those results will be used in the later chapters for printing of the novel MEW structures for biomedical applications. In the final chapter the concept of multimodal scaffold was combined with the suspended fibre printing, for the manufacturing of the MEW scaffolds with controlled pore interconnectivity in three dimensions. Those scaffolds were proven to be a promising substate for the control of the neurite spreading of the chick DRG neurons. / Diese Arbeit umfasst die Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie Schmelzelektroschreiben, um die verbesserte Anwendbarkeit in biomedizinischen Anwendungen und die Konstruktion von Gerüsten zu erreichen. Schmelzelektroschreiben ist ein Verfahren, das in der Lage ist, hochaufgelöste Strukturen aus mikroskaligen Fasern zu erzeugen. Dennoch gibt es Parameter, die den Prozess beeinflussen, und es ist nicht klar, wie sie sich auf das Druckergebnis auswirken. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Verarbeitungs- und Umweltparameter mit der Auswirkung auf deren Einfluss auf die Polymerstrahlgeschwindigkeit, den Faserdurchmesser und die Gerüstmorphologie untersucht, was bisher in der Literatur nicht berichtet wurde und die Druckqualität wesentlich beeinflusst. Es konnte gezeigt werden, dass bei höheren Umgebungstemperaturen die Entstehung von zylindrischen Fasern soweit behindert werden können, dass die einzelnen Fasern vollständig zusammengeschmolzen werden und eine erhöhte Luftfeuchtigkeit diesen Effekt verstärkt. Es wurde auch gezeigt, wie solche Parameter wie angelegte Spannung, Kollektorabstand, Vorschubdruck und Polymertemperatur den Faserdurchmesser und die kritische Translationsgeschwindigkeit beeinflussen. Basierend auf diesen Ergebnissen, wurde eine detaillierte Untersuchung der Faserdurchmessersteuerung durchgeführt und Gerüsten mit neuartigen Architekturen wurden gedruckt. Als Beispiel wird ein 20-fach Durchmesserverhältnis innerhalb eines Gerüstes durch die Änderung der Kollektorgeschwindigkeit und des Vorschubdrucks während eines Druckvorgangs erreicht. Obwohl die Vorschubdruckveränderung spürbare Oszillationen des Faserdurchmessers verursachte, wurden Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern erfolgreich in zwei Scaffoldmuster integriert, die für mesenchymale Stromazell und L929 Zellsuspension und die Aussaat von Fettgewebe-Sphäroiden getestet wurden. Weitere Design- und Herstellungsaspekte werden diskutiert, während die Polymerstrahlanziehung auf die gedruckten Strukturen in Verbindung mit der Faserpositionierungssteuerung der mehrschichtigen Scaffolds beleuchtet wird. Den Artefakten, die mit zunehmender Gerüsthöhe sinusförmiger Ablagemuster auftreten, wird durch schichtweise Anpassung von Verfahrweg des Kollektors entgegengewirkt. Für die Vorhersage eines Druckfehlers der ersten abgelegten Schicht wurde ein Algorithmus entwickelt, der die empirischen Zusammenhänge zwischen Kollektorgeschwindigkeit, Nachlauf, und die Geschwindigkeit der Faserablage verwendet. Dieses Modell war in der Lage die Position der gedruckten Faser mit einem bis zu zehnmal kleinerem Fehler als die Position auf dem programmierten Pfad vorherzusagen. Dasselbe Modell erlaubt es, die Änderung des Faserdurchmessers entlang des nichtlinearen Musters qualitativ zu bewerten und die Bereiche mit der größten Musterdeformation mit zunehmender Gerüsthöhe anzuzeigen. Diese Ergebnisse werden in anderen Kapiteln für den Druck der neuartigen MEW-Strukturen für biomedizinische Anwendungen verwendet. Im letzten Kapitel wurde das Konzept des multimodalen Gerüstes mit dem Druck von hängenden Fasern kombiniert, um MEW-Gerüste mit kontrollierter Porenvernetzung in drei Dimensionen herzustellen. Diese Gerüste erwiesen sich als vielversprechendes Substrat für die Kontrolle der Neuritenausbreitung der Nervenzellen aus Spinalganglien.

Im präklinischen Ausbildungsabschnitt des Zahnmedizinstudiums sollen die Studierenden möglichst umfassend und vielseitig auf die Behandlung von Patienten vorbereitet werden. Bislang zählt die Schienung parodontal gelockerter Zähne nicht zum Ausbildungsspektrum und es gibt kein Übungsmodell, mit welchem diese Art der Versorgung erlernt werden könnte. Ziel dieser Studie war es, Zähne für ein Übungsmodell zu entwickeln, dieses mithilfe des 3D-Druckes herzustellen, sowie zusätzlich die Handhabung von verschiedenen Schienungsmaterialien von ungeübten Behandlern bewerten zu lassen. Es wurden parodontal gelockerte Zähne digital designt und mithilfe eines Stereolithographie 3D-Druckers gedruckt. Insgesamt 43 Studierende des siebten Fachsemesters nahmen im Rahmen des Parodontologiekurses freiwillig an der Studie teil. Es wurden pro Teilnehmer zwei Garnituren Zähne jeweils mit dem Material everStick Perio (GC Dental) und dem Material Ribbond Ultra (Ribbond Inc.) geschient. Die Bewertung der gedruckten Übungszähne sowie der zwei Schienungsmaterialien durch die Teilnehmer erfolgte mithilfe eines Fragebogens unter Nutzung der Schulnoten von 1 (sehr gut) bis 6 (ungenügend). Die geschienten Modelle wurden gescannt und digital verglichen. Die Schienungsübung wurde insgesamt als „gut“ empfunden. Die Realitätstreue der Zahnlockerungen sowie die Repositionierung der Zähne in den Zahnbogen wurden mit der Note „befriedigend“ bewertet. Das Material everStick Perio bekam in der Handhabung die Note „befriedigend“, das Material Ribbond Ultra die Note „gut“. Der Lerneffekt der Übung wurde mit der Note „gut“ bewertet, wobei die Teilnehmer ihre eigenen Fähigkeiten vor dem Kurs als „mangelhaft“ und nach dem Kurs als „gut“ bewerteten. Die digitale Auswertung der geschienten Modelle ergab keinen signifikanten Unterschied zwischen den einzelnen Gruppen, welche sich nach Schienungsmaterial, Erst- oder Zweitversuch der Schienung sowie den einzelnen geschienten Zähnen aufgliederten. Die Anwendbarkeit dieses Trainingskonzeptes wurde bestätigt, da sich aus Sicht der Studierenden ein positiver Lerneffekt zeigte. / In preclinical dental education, students need to be sufficiently prepared for treating patients. Until now, there is no model available for learning the treatment of periodontal splinting. In this study, we used 3D printing to produce artificial teeth with variable degrees of mobility and compared the usage of two different splinting materials by unexperienced practitioners. Teeth with degrees of mobility were digitally designed and printed using the stereolithography 3D printing process. 43 dentistry students in the fourth year participated in this study. Each student had to splint two sets of teeth using the splinting materials Ribbond Ultra (Ribbond, Inc.) and everStick Perio (GC Dental). The study model and the splinting materials were evaluated through a digital questionaire with school grades from 1 (very good) to 6 (insufficient). The splinted teeth were digitally scanned and compared with an ideally splinted study model. The splinting practice was overall rated with „good“. The degrees of mobility compared to a clinical situation and the repositioning of the teeth were answered with „satisfactory“. The material everStick Perio was „satisfactory“, the material Ribbond Ultra was „good“. The overall learning effect was „good“, whereby the participants described their ability to splint teeth before the course as „inadequate“ and after the course as „good“. The digital comparison of the splinted models showed no significant difference between the splinting materials. There was also no significant difference between the first and second attempt of splinting and no differences between the teeth. The applicability of this training model was confirmed as the students experienced a learning success for periodontal splinting.

71 Studierende nahmen am Universitätsklinikum Würzburg in der Abteilung für Zahnärztliche Prothetik an einem freiwilligen Übungsseminar zum Aufpassen von Kronen mit Störstellen, die im 3D-Druckverfahren hergestellt wurden, teil. Das Übungsseminar fand an zwei Terminen statt. Zum Identifizieren der Störstellen standen Xantopren und Okklusionsspray zur Verfügung. Nach dem praktischen Teil der Übung wurde ein Fragebogen ausgefüllt. Zusätzlich wurden die aufgepassten Kronen mittels Laborscanner digitalisiert und mit einer Krone ohne Störstellen überlagert. Dadurch konnten positive und negative Oberflächenabweichungen für die Bereiche der Störstellen sowie der Gesamtinnenfläche der Kronen ermittelt werden. Die flächenbezogenen Abweichungswerte zeigten einen signifikanten Lernerfolg – gemessen anhand der Passungsparameter - zwischen den beiden Terminen des Übungsseminars. Hierbei erreichten Kronen, die mit Okklusionsspray aufgepasst wurden, signifikant geringere flächenbezogene Abweichungswerte im Vergleich zu Kronen, die mit Xantopren aufgepasst wurden. Die Auswertung der mit Schulnoten skalierten Fragen ergab signifikante Unterschiede bei der Bewertung der Härte, eines realitätsnahen Gefühls beim Einschleifen bzw. beim Aufpassen und Details wie Randschluss. Beim Vergleich der Aufpassmethoden im Fragebogen ergaben die Einfachheit beim Aufpassen, das Identifizieren der Störstellen und das präferierte Material signifikante Unterschiede. Der subjektive Lernerfolg mit den Materialien zeigte ebenfalls signifikante Unterschiede. Insbesondere die Materialeigenschaften und die Randgenauigkeit der Druckkronen wurden häufig kritisiert, die schnelle und einfache Möglichkeit zur Herstellung von Übungsmaterialien sowie deren Reproduzierbarkeit wurden von den Studierenden hingegen begrüßt. / 71 students participated at the Department of Prosthetics of the University of Würzburg in a voluntary training course for fitment optimization of 3D printed crowns with implemented areas of interference. The training course was split into two sessions. Xantopren and a powder spray were utilized to identify interferences. After completing the practical part of the training course students answered a questionnaire. The adapted crowns were digitalized with a laboratory scanner and matched with a crown without interferences. Thus, positive and negative surface deviations were identified for both the areas with interferences and the crowns’ entire inner surface. The comparison of surface deviations between both sessions of the training course revealed a significant learning outcome. Crowns adapted with powder spray had significantly lower surface deviations than crowns adapted with Xantopren. The questionnaire, scaled with school grades, revealed significant differences for evaluation of the crowns’ hardness, realism of the feeling when removing interferences und adaption of the crowns, and details such as marginal fit. When comparing both materials utilized for fitment optimization, the following aspects revealed significant differences: ease for fitment optimization, identification of interferences and preferred material. The subjective learning outcome with both materials revealed significant differences as well. Material properties and accuracy of the crowns’ edges were criticized by the students, however, students appreciated the ease, speed and reproducibility of manufacturing the crowns.