The purpose of this study was to examine the relative effectiveness of three-dimensional visualization techniques for learning about protein conformation and molecular motion in association with a ligand and receptor binding event. Increasingly complex versions of the same binding event were depicted in each of four animated treatments. Students (n = 131) were tested at three time points, and over both the short and longer term, the most complex of the four animated treatments was the most successful at fostering students’ understanding of the events depicted. A follow-up study including eight biology students was conducted to gain greater insight into the students’ underlying thought processes and better characterize their understanding of the animated representations. Analysis of verbal reports and eye tracking data suggest that students are able to attend to the same narrative elements regardless of the level of complexity depicted in each animation. Analysis of verbal protocol data revealed a positive correlation between the number of explanatory statements expressed by participants and the complexity of the animation viewed. As well, prior knowledge was positively correlated with the number of explanatory statements contained in each protocol. Overall, students demonstrated an understanding of protein conformation and molecular crowding. However results suggest that students have difficulty understanding and associating randomness with molecular events. The verbal reports contained several instances of students’ attaching agency to protein and ligand, anthropomorphizing their movements and subsequent binding. Ordinarily cellular events, owing to their sheer complexity, are depicted in a highly schematized, simplified form. The results of this study would suggest that under select circumstances this may not be the most appropriate approach to depicting dynamic events. However additional attention must be given to exploring techniques that can satisfactorily balance the random nature of molecular events with narrative explanations of these processes.

The purpose of this study was to examine the relative effectiveness of three-dimensional visualization techniques for learning about protein conformation and molecular motion in association with a ligand and receptor binding event. Increasingly complex versions of the same binding event were depicted in each of four animated treatments. Students (n = 131) were tested at three time points, and over both the short and longer term, the most complex of the four animated treatments was the most successful at fostering students’ understanding of the events depicted. A follow-up study including eight biology students was conducted to gain greater insight into the students’ underlying thought processes and better characterize their understanding of the animated representations. Analysis of verbal reports and eye tracking data suggest that students are able to attend to the same narrative elements regardless of the level of complexity depicted in each animation. Analysis of verbal protocol data revealed a positive correlation between the number of explanatory statements expressed by participants and the complexity of the animation viewed. As well, prior knowledge was positively correlated with the number of explanatory statements contained in each protocol. Overall, students demonstrated an understanding of protein conformation and molecular crowding. However results suggest that students have difficulty understanding and associating randomness with molecular events. The verbal reports contained several instances of students’ attaching agency to protein and ligand, anthropomorphizing their movements and subsequent binding. Ordinarily cellular events, owing to their sheer complexity, are depicted in a highly schematized, simplified form. The results of this study would suggest that under select circumstances this may not be the most appropriate approach to depicting dynamic events. However additional attention must be given to exploring techniques that can satisfactorily balance the random nature of molecular events with narrative explanations of these processes.

Der Einsatz numerischer Simulationen zur Bearbeitung klinischer Fragestellungen ist eine innovative Vorgehensweise. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Auswertung von Ergebnissen einer Finite-Elemente-Analyse zum Stentgraftverhalten konzipiert, implementiert und im Rahmen einer deutschlandweiten Benutzerstudie getestet. Für einen Vergleich unterschiedlicher Stentgraftkonfigurationen im Kontext mit dem patientenspezifischen Gefäß wurden Stentgraftbewertungsgrößen eingeführt. Hierzu gehören die Fixierungskraft und der Kontaktstatus zwischen Stentringen und Blutgefäßbestandteilen. Für eine Bereitstellung der Ergebnisgrößen im gefäßmedizinischen Arbeitsumfeld wurde eine graphische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Diese ermöglicht eine quantitative und qualitative Auswertung von Stentgraftbewertungsgrößen. Hierfür wurden Module zur automatisierten Auswertung von Fixierungskräften sowie zur 2D- und 3D- Ergebnisvisualisierung implementiert. Im Rahmen der Benutzerstudie wurde die Anwendung der entwickelten Methode für die Ermittlung des Einsatzpotenzials numerischer Simulationen zur Unterstützung der Stentgraftauswahl demonstriert. Im Ergebnis wurde als wesentliches Einsatzpotenzial die Festlegung eines Mindestmaßes an Überdimensionierung, die Optimierung der Schenkellänge sowie der Ver- gleich unterschiedlicher Stentgraftdesigns ermittelt. Weiterhin konnten grundlegende Anforderungen an ein System zur Generierung und Bewertung von Stentgraftkonfigurationen im klinischen Alltag definiert werden. Zu den wesentlichen Funktionen, die der Implanteur für einen Vergleich von Stentgrafts benötigt, zählen eine Übersichtskarte zu farbkodiertem Migrationsrisiko pro Stentgraft und Landungszone, die Visualisierung des Abdichtungszustandes der Stentkomponenten sowie die Darstellung von Stentgraft- und Gefäßdeformationen im 3D-Modell.

Der Einsatz numerischer Simulationen zur Bearbeitung klinischer Fragestellungen ist eine innovative Vorgehensweise. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Auswertung von Ergebnissen einer Finite-Elemente-Analyse zum Stentgraftverhalten konzipiert, implementiert und im Rahmen einer deutschlandweiten Benutzerstudie getestet. Für einen Vergleich unterschiedlicher Stentgraftkonfigurationen im Kontext mit dem patientenspezifischen Gefäß wurden Stentgraftbewertungsgrößen eingeführt. Hierzu gehören die Fixierungskraft und der Kontaktstatus zwischen Stentringen und Blutgefäßbestandteilen. Für eine Bereitstellung der Ergebnisgrößen im gefäßmedizinischen Arbeitsumfeld wurde eine graphische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Diese ermöglicht eine quantitative und qualitative Auswertung von Stentgraftbewertungsgrößen. Hierfür wurden Module zur automatisierten Auswertung von Fixierungskräften sowie zur 2D- und 3D- Ergebnisvisualisierung implementiert. Im Rahmen der Benutzerstudie wurde die Anwendung der entwickelten Methode für die Ermittlung des Einsatzpotenzials numerischer Simulationen zur Unterstützung der Stentgraftauswahl demonstriert. Im Ergebnis wurde als wesentliches Einsatzpotenzial die Festlegung eines Mindestmaßes an Überdimensionierung, die Optimierung der Schenkellänge sowie der Ver- gleich unterschiedlicher Stentgraftdesigns ermittelt. Weiterhin konnten grundlegende Anforderungen an ein System zur Generierung und Bewertung von Stentgraftkonfigurationen im klinischen Alltag definiert werden. Zu den wesentlichen Funktionen, die der Implanteur für einen Vergleich von Stentgrafts benötigt, zählen eine Übersichtskarte zu farbkodiertem Migrationsrisiko pro Stentgraft und Landungszone, die Visualisierung des Abdichtungszustandes der Stentkomponenten sowie die Darstellung von Stentgraft- und Gefäßdeformationen im 3D-Modell.