Das zentrale Thema dieser Dissertation ist die Anwendung illustrativer Methoden auf zwei bisher ungelöste Probleme der Strömungsvisualisierung. Das Ziel der Strömungsvisualisierung ist die Bereitstellung von Software, die Experten beim Auswerten ihrer Strömungsdaten und damit beim Erkenntnisgewinn unterstützt. Bei der illustrativen Visualisierung handelt es sich um einen Zweig der Visualisierung, der sich an der künstlerischen Arbeit von Illustratoren orientiert. Letztere sind darauf spezialisiert komplizierte Zusammenhänge verständlich und ansprechend zu vermitteln. Die angewendeten Techniken werden in der illustrativen Visualisierung auf reale Daten übertragen, um die Effektivität der Darstellung zu erhöhen. Das erste Problem, das im Rahmen dieser Dissertation bearbeitet wurde, ist die eingeschränkte Verständlichkeit von komplexen Stromflächen. Selbstverdeckungen oder Aufrollungen behindern die Form- und Strömungswahrnehmung und machen diese Flächen gerade in interessanten Strömungssituationen wenig nützlich. Auf Basis von handgezeichneten Strömungsdarstellungen haben wir ein Flächenrendering entwickelt, das Silhouetten, nicht-photorealistische Beleuchtung und illustrative Stromlinien verwendet. Interaktive Flächenschnitte erlauben die Exploration der Flächen und der Strömungen, die sie repräsentieren. Angewendet auf verschiedene Stromflächen ließ sich zeigen, dass die Methoden die Verständlichkeit erhöhen, v.a. in Bereichen komplexer Strömung mit Aufwicklungen oder Singularitäten. Das zweite Problem ist die Strömungsanalyse des Blutes aus 4D PC-MRI-Daten. An diese relativ neue Datenmodalität werden hohe Erwartungen für die Erforschung und Behandlung kardiovaskulärer Krankheiten geknüpft, da sie erstmals ein dreidimensionales, zeitlich aufgelöstes Abbild der Hämodynamik liefert. Bisher werden 4D PC-MRI-Daten meist mit Werkzeugen der klassischen Strömungsvisualisierung verarbeitet. Diese werden den besonderen Ansprüchen der medizinischen Anwender jedoch nicht gerecht, die in kurzer Zeit eine übersichtliche Darstellung der relevanten Strömungsaspekte erhalten möchten. Wir haben ein Werkzeug zur visuellen Analyse der Blutströmung entwickelt, welches eine einfache Detektion von markanten Strömungsmustern erlaubt, wie z.B. Jets, Wirbel oder Bereiche mit hoher Blutverweildauer. Die Grundidee ist hierbei aus vorberechneten Integrallinien mit Hilfe speziell definierter Linienprädikate die relevanten, d.h. am gefragten Strömungsmuster, beteiligten Linien ausgewählt werden. Um eine intuitive Darstellung der Resultate zu erreichen, haben wir uns von Blutflußillustrationen inspirieren lassen und präsentieren eine abstrakte Linienbündel- und Wirbeldarstellung. Die Linienprädikatmethode sowie die abstrakte Darstellung der Strömungsmuster wurden an 4D PC-MRI-Daten von gesunden und pathologischen Aorten- und Herzdaten erfolgreich getestet. Auch die Evaluierung durch Experten zeigt die Nützlichkeit der Methode und ihr Potential für den Einsatz in der Forschung und der Klinik. / This thesis’ central theme is the use of illustrative methods to solve flow visualization problems. The goal of flow visualization is to provide users with software tools supporting them analyzing and extracting knowledge from their fluid dynamics data. This fluid dynamics data is produced in large amounts by simulations or measurements to answer diverse questions in application fields like engineering or medicine. This thesis deals with two unsolved problems in flow visualization and tackles them with methods of illustrative visualization. The latter is a subbranch of visualization whose methods are inspired by the art work of professional illustrators. They are specialized in the comprehensible and esthetic representation of complex knowledge. With illustrative visualization, their techniques are applied to real data to enhance their representation. The first problem dealt with in this thesis is the limited shape and flow perception of complex stream surfaces. Self-occlusion and wrap-ups hinder their effective use in the most interesting flow situations. On the basis of hand-drawn flow illustrations, a surface rendering method was designed that uses silhouettes, non-photorealistic shading, and illustrative surface stream lines. Additionally, geometrical and flow-based surface cuts allow the user an interactive exploration of the surface and the flow it represents. By applying this illustrative technique to various stream surfaces and collecting expert feedback, we could show that the comprehensibility of the stream surfaces was enhanced – especially in complex areas with surface wrap-ups and singularities. The second problem tackled in this thesis is the analysis of blood flow from 4D PC-MRI data. From this rather young data modality, medical experts expect many advances in the research of cardiovascular diseases because it delivers a three-dimensional and time-resolved image of the hemodynamics. However, 4D PC-MRI data are mainly processed with standard flow visualizaton tools, which do not fulfill the requirements of medical users. They need a quick and easy-to-understand display of the relevant blood flow aspects. We developed a tool for the visual analysis of blood flow that allows a fast detection of distinctive flow patterns, such as high-velocity jets, vortices, or areas with high residence times. The basic idea is to precalculate integral lines and use specifically designed line predicates to select and display only lines involved in the pattern of interest. Traditional blood flow illustrations inspired us to an abstract and comprehensible depiction of the resulting line bundles and vortices. The line predicate method and the illustrative flow pattern representation were successfully tested with 4D PC-MRI data of healthy and pathological aortae and hearts. Also, the feedback of several medical experts confirmed the usefulness of our methods and their capabilities for a future application in the clinical research and routine.

In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

Das zentrale Thema dieser Dissertation ist die Anwendung illustrativer Methoden auf zwei bisher ungelöste Probleme der Strömungsvisualisierung. Das Ziel der Strömungsvisualisierung ist die Bereitstellung von Software, die Experten beim Auswerten ihrer Strömungsdaten und damit beim Erkenntnisgewinn unterstützt. Bei der illustrativen Visualisierung handelt es sich um einen Zweig der Visualisierung, der sich an der künstlerischen Arbeit von Illustratoren orientiert. Letztere sind darauf spezialisiert komplizierte Zusammenhänge verständlich und ansprechend zu vermitteln. Die angewendeten Techniken werden in der illustrativen Visualisierung auf reale Daten übertragen, um die Effektivität der Darstellung zu erhöhen. Das erste Problem, das im Rahmen dieser Dissertation bearbeitet wurde, ist die eingeschränkte Verständlichkeit von komplexen Stromflächen. Selbstverdeckungen oder Aufrollungen behindern die Form- und Strömungswahrnehmung und machen diese Flächen gerade in interessanten Strömungssituationen wenig nützlich. Auf Basis von handgezeichneten Strömungsdarstellungen haben wir ein Flächenrendering entwickelt, das Silhouetten, nicht-photorealistische Beleuchtung und illustrative Stromlinien verwendet. Interaktive Flächenschnitte erlauben die Exploration der Flächen und der Strömungen, die sie repräsentieren. Angewendet auf verschiedene Stromflächen ließ sich zeigen, dass die Methoden die Verständlichkeit erhöhen, v.a. in Bereichen komplexer Strömung mit Aufwicklungen oder Singularitäten. Das zweite Problem ist die Strömungsanalyse des Blutes aus 4D PC-MRI-Daten. An diese relativ neue Datenmodalität werden hohe Erwartungen für die Erforschung und Behandlung kardiovaskulärer Krankheiten geknüpft, da sie erstmals ein dreidimensionales, zeitlich aufgelöstes Abbild der Hämodynamik liefert. Bisher werden 4D PC-MRI-Daten meist mit Werkzeugen der klassischen Strömungsvisualisierung verarbeitet. Diese werden den besonderen Ansprüchen der medizinischen Anwender jedoch nicht gerecht, die in kurzer Zeit eine übersichtliche Darstellung der relevanten Strömungsaspekte erhalten möchten. Wir haben ein Werkzeug zur visuellen Analyse der Blutströmung entwickelt, welches eine einfache Detektion von markanten Strömungsmustern erlaubt, wie z.B. Jets, Wirbel oder Bereiche mit hoher Blutverweildauer. Die Grundidee ist hierbei aus vorberechneten Integrallinien mit Hilfe speziell definierter Linienprädikate die relevanten, d.h. am gefragten Strömungsmuster, beteiligten Linien ausgewählt werden. Um eine intuitive Darstellung der Resultate zu erreichen, haben wir uns von Blutflußillustrationen inspirieren lassen und präsentieren eine abstrakte Linienbündel- und Wirbeldarstellung. Die Linienprädikatmethode sowie die abstrakte Darstellung der Strömungsmuster wurden an 4D PC-MRI-Daten von gesunden und pathologischen Aorten- und Herzdaten erfolgreich getestet. Auch die Evaluierung durch Experten zeigt die Nützlichkeit der Methode und ihr Potential für den Einsatz in der Forschung und der Klinik. / This thesis’ central theme is the use of illustrative methods to solve flow visualization problems. The goal of flow visualization is to provide users with software tools supporting them analyzing and extracting knowledge from their fluid dynamics data. This fluid dynamics data is produced in large amounts by simulations or measurements to answer diverse questions in application fields like engineering or medicine. This thesis deals with two unsolved problems in flow visualization and tackles them with methods of illustrative visualization. The latter is a subbranch of visualization whose methods are inspired by the art work of professional illustrators. They are specialized in the comprehensible and esthetic representation of complex knowledge. With illustrative visualization, their techniques are applied to real data to enhance their representation. The first problem dealt with in this thesis is the limited shape and flow perception of complex stream surfaces. Self-occlusion and wrap-ups hinder their effective use in the most interesting flow situations. On the basis of hand-drawn flow illustrations, a surface rendering method was designed that uses silhouettes, non-photorealistic shading, and illustrative surface stream lines. Additionally, geometrical and flow-based surface cuts allow the user an interactive exploration of the surface and the flow it represents. By applying this illustrative technique to various stream surfaces and collecting expert feedback, we could show that the comprehensibility of the stream surfaces was enhanced – especially in complex areas with surface wrap-ups and singularities. The second problem tackled in this thesis is the analysis of blood flow from 4D PC-MRI data. From this rather young data modality, medical experts expect many advances in the research of cardiovascular diseases because it delivers a three-dimensional and time-resolved image of the hemodynamics. However, 4D PC-MRI data are mainly processed with standard flow visualizaton tools, which do not fulfill the requirements of medical users. They need a quick and easy-to-understand display of the relevant blood flow aspects. We developed a tool for the visual analysis of blood flow that allows a fast detection of distinctive flow patterns, such as high-velocity jets, vortices, or areas with high residence times. The basic idea is to precalculate integral lines and use specifically designed line predicates to select and display only lines involved in the pattern of interest. Traditional blood flow illustrations inspired us to an abstract and comprehensible depiction of the resulting line bundles and vortices. The line predicate method and the illustrative flow pattern representation were successfully tested with 4D PC-MRI data of healthy and pathological aortae and hearts. Also, the feedback of several medical experts confirmed the usefulness of our methods and their capabilities for a future application in the clinical research and routine.

In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

The present study analyses three beam shaping approaches with respect to a light-efficient generation of i) patterns and ii) multiple spots by means of a generic optical 4f-setup. 4f approaches share the property that due to the one-to-one relationship between output intensity and input phase, the need for time-consuming, iterative calculation can be avoided. The resulting low computational complexity offers a particular advantage compared to the widely used holographic principles and makes them potential candidates for real-time applications. The increasing availability of high-speed phase modulators, e.g. on the basis of MEMS, calls for an evaluation of the performances of these concepts. Our second interest is the applicability of 4f methods to high-power applications. We discuss the variants of 4f intensity shaping by phase modulation from a system-level point of view which requires the consideration of application relevant boundary conditions. The discussion includes i) the micro mirror based phase manipulation combined with amplitude masking in the Fourier plane, ii) the Generalized Phase Contrast, and iii) matched phase-only correlation filtering combined with GPC. The conceptual comparison relies on comparative figures of merit for energy efficiency, pattern homogeneity, pattern image quality, maximum output intensity and flexibility with respect to the displayable pattern. Numerical simulations illustrate our findings.

Die experimentellen Daten können bei Dr. Sebastian Risse, Helmholtz-Zentrum Berlin, eingesehen werden. / Silizium-Elektroden werden aufgrund ihrer um eine Gröÿenordnung höheren Kapazität als mögliches Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien betrachtet. Diese Kapazität geht jedoch mit einer Volumenausdehnung von bis zu 310 % einher. Dies begünstigt einen schnellen Kapazitätsabfall und ein kontinuierliches Wachstum der SEI-Schicht. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Morphologie-Änderung der Siliziumelektrode während des Lithiierungs-Prozesses besser zu verstehen unter Nutzung von operando-Methoden Im ersten Teil wurde Neutronenreflektometrie (NR) genutzt, um die Morphologie-Änderung auf der Nanometerskala einer Siliziumelektrode zu untersuchen. Das Wachsen/Schrumpfen der lithiierten Zone im Silizium wurde beobachtet. Auf der Oberfläche der Elektrode wächst im delithiierten Zustand eine Grenzschicht, welche die Lithiierung verhindert. Nachdem diese Schicht aufgelöst ist, kann Lithium eingelagert werden. Im zweiten Teil wurde operando Röntgen- Phasenkontrast-Radiographie genutzt. Ein rechteckiges Riss-Gitter wurde dabei im delithiierten Zustand beobachtet, welches sich während der Lithiierung schließt. Dieses Gitter ist entlang der Kristallachsen des Siliziums orientiert. Im nächsten Zyklus entsteht das Gitter am selben Ort wieder, und breitet sich mit steigender Zyklenzahl über die Elektrode aus. Im dritten Teil wurde der Einfluss einer künstlichen Grenzschicht auf die Lithiierung untersucht. Erneut wurde NR genutzt. Die künstliche Schicht verringert das Wachstum der SEI-Schicht, unterdrückt es jedoch nicht komplett. Nach 2 Zyklen ist die Grenzschicht degradiert, und Seitenreaktionen können beobachtet werden. / Silicon electrodes receive great interest as potential electrode material in lithium-based batteries due to their one order of magnitude higher capacity. This is accompanied by a volume expansion of up to 310 %, leading to an accelerated capacity loss of the electrodes. The volume expansion creates mechanical stress, leading to fracturization of the electrode and the continuous growth of the solid-electrolyte-interphase (SEI) layer under the consumption of active material. The aim of this thesis is to investigate the morphological changes of silicon electrodes during lithiation/ delithiation. Especially operando-techniques are well-suited to investigate these morphological changes since they allow us to precisely link structural data and the electrochemical state. The first project uses operando neutron reflectometry (NR) and in-situ electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to analyze the morphology change of the silicon surface on the nanometer-scale. The growth and shrinkage of the lithiated layers within the electrode as well as the lithium concentration was determined with this method. An SEI-layer forms on top of the silicon electrode in the delithiated state, which hinders the lithium uptake in the initial part of the subsequent lithiation. The second project analyzes the morphology-change of the electrode on the µm-scale. Here the fracturization of the silicon electrode is investigated by operando X-ray phase-contrast radiography. A rectangular fracturization pattern was observed during the second half of the delithiation, which vanished again during the lithiation. The third project investigates the influence of an artificial coating layer on the lithiation process. Again operando NR was chosen as analysis tool. The artificial coating decreased the formation of the SEI-layer within the first cycles, but did not suppress it completely. However, this layer degraded already in an early stage of cycling, resulting in the occurrence of side reactions afterward.

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