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Description: In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Modellierung von thermal signifikanten Gefäßsträngen im Hyperthermie-Kontext betrachtet. Ausgehend von einer Konvektions-Diffusions-Gleichung wird durch Reskalierung des Massenflussterms eine Reduktion des Adergebietes auf eine 1D-Struktur erreicht. Nach numerischen Vorbetrachtungen wird die Grenzgleichung innerhalb einer verallgemeinerten Sobolev-Algebra formuliert. Die Untersuchung der Lösungsfamilie in klassischen Funktionenräumen zeigt, dass deren schwacher Grenzwert die Lösung der korrespondierenden Diffusions-Gleichung ist. Die Diskretisierung einer formalen Grenzgleichung mit Linienstromanteil stellt jedoch eine gute Approximation an die Diskretisierung des ursprünglichen Problems dar, wenn man die lokale Maschenweite an die Gefäßradien koppelt und bei erhöhtem Genauigkeitsbedarf auf ein vollständiges 3D-Modell umschaltet.

Description: Eigentlich war der erste Autor nur zu einem Grußwort zur Tagung „GML² 2009 - Grundfragen Multi¬medialen Lehrens und Lernens“ eingeladen. Daraus wurde ein E-Learning-bezogener Vortrag, der – basierend auf Erfahrungen im Fach Mathematik – einen kritischen Blick auf die E-Learning-Szene in Deutschland wirft und diese mit entsprechenden Aktivitäten weltweit vergleicht. Dies ist die in seinen mathematischen Teilen gekürzte, in den E-Learning-Anteilen ein wenig erweiterte schriftliche Fassung des Vortrags. Der Artikel stammt nicht von E-Learning-Spezialisten sondern von Personen, die sich seit fast zwanzig Jahren mit elektronischer Information und Kommunikation (kurz: IuK) – insbesondere in der Mathematik – beschäftigen. Nach einer Definition von Michael Kerres kennzeichnet der Begriff E-Learning (electronic learning – elektronisch unterstütztes Lernen) alle Formen von Lernen, bei denen digitale Medien für die Präsentation und Distribution von Lernmaterialien und/oder zur Unterstützung zwischenmenschlicher Kommunikation zum Einsatz kommen, siehe z.B. http://de.wikipedia.org/wiki/E-Learning. IuK und E-Learning haben nach dieser Begriffsbildung viele Berührungspunkte. Deswegen wagen wir es, unsere positiven und negativen Erfahrungen im Bereich IuK in diesem Eröffnungsvortrag zu berichten, einige Entwicklungslinien zu vergleichen und eine eigene Kurzversion der Definition von E-Learning (besser E-Teaching and -Learning) voranzustellen: „Lehren und Lernen mit Unterstützung elektronischer Hilfsmittel“.

Description: Das heutige Leben ist durchdrungen von komplexen Technologien. Ohne Kommunikationsnetze, Internet, Mobilfunk, Logistik, Verkehrstechnik, medizinische Apparate, etc. könnte die moderne Gesellschaft nicht funktionieren. Fast alle dieser Technologien haben einen hohen Mathematikanteil. Der "normale Bürger"' weiss davon nichts, der Schulunterricht könnte dem ein wenig abhelfen. Einige mathematische Aspekte dieser Technologien sind einfach und sogar spielerisch intuitiv zugänglich. Solche Anwendungen, die zusätzlich noch der Lebensumwelt der Schüler zugehören, können dazu genutzt werden, die mathematische Modellierung, also die mathematische Herangehensweise an die Lösung praktischer Fragen, anschaulich zu erläutern. Gerade in der diskreten Mathematik können hier, quasi "nebenbei" mathematische Theorien erarbeitet und Teilaspekte (Definitionen, Fragestellungen, einfache Sachverhalte) durch eigenständiges Entdecken der Schüler entwickelt werden. Wir beginnen mit einigen Beispielen.

Description: Den kürzesten Weg in einem Graphen zu finden ist ein klassisches Problem der Graphentheorie. Über einen Vortrag zu diesem Thema beim Tag der Mathematik 2007 von R. Borndörfer kam ich in Kontakt mit dem Konrad-Zuse-Zentrum (ZIB), das sich u.a. mit Wegeoptimierung beschäftigt. Ein Forschungsschwerpunkt dort ist im Rahmen eines Projekts zur Chipverifikation das Zählen von Lösungen, das, wie wir sehen werden, eng mit dem Zählen von Wegen zusammenhängt. Anhand von zwei Fragen aus der Graphentheorie soll diese Facharbeit unterschiedliche Lösungsmethoden untersuchen. Wie bestimmt man den kürzesten Weg zwischen zwei Knoten in einem Graphen und wie findet man alle möglichen Wege? Nach einer Einführung in die Graphentheorie und einer Konkretisierung der Probleme wird zunächst für beide eine Lösung mit auf Graphen basierenden Algorithmen vorgestellt. Während der Algorithmus von Dijkstra sehr bekannt ist, habe ich für das Zählen von Wegen einen eigenen Algorithmus auf der Basis der Tiefensuche entwickelt. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Konzept der ganzzahligen Programmierung vorgestellt und die Lösungsmöglichkeiten für Wegeprobleme, die sich darüber ergeben. Schließlich wurden die vorgestellten Algorithmen am Beispiel des S- und U-Bahnnetzes von Berlin implementiert und mit Programmen, die die gleichen Fragen über ganzzahlige Programmierung lösen, verglichen.

Description: Dieser kurze Aufsatz zur Algorithmengeschichte ist Eberhard Knobloch, meinem Lieblings-Mathematikhistoriker, zum 65. Geburtstag gewidmet. Eberhard Knobloch hat immer, wenn ich ihm eine historische Frage zur Mathematik stellte, eine Antwort gewusst – fast immer auch sofort. Erst als ich mich selbst ein wenig und dazu amateurhaft mit Mathematikgeschichte beschäftigte, wurde mir bewusst, wie schwierig dieses „Geschäft“ ist. Man muss nicht nur mehrere (alte) Sprachen beherrschen, sondern auch die wissenschaftliche Bedeutung von Begriffen und Symbolen in früheren Zeiten kennen. Man muss zusätzlich herausfinden, was zur Zeit der Entstehung der Texte „allgemeines Wissen“ war, insbesondere, was seinerzeit gültige Beweisideen und -schritte waren, und daher damals keiner präzisen Definition oder Einführung bedurfte. Es gibt aber noch eine Steigerung des historischen Schwierigkeitsgrades: Algorithmengeschichte. Dies möchte ich in diesem Artikel kurz darlegen in der Hoffnung, dass sich Wissenschaftshistoriker dieses Themas noch intensiver annehmen, als sie das bisher tun. Der Grund ist, dass heute Algorithmen viele Bereiche unserer Alltagswelt steuern und unser tägliches Leben oft von funktionierenden Algorithmen abhängt. Daher wäre eine bessere Kenntnis der Algorithmengeschichte von großem Interesse.

Description: Die Angebotsplanung im öffentlichen Nahverkehr umfasst die Aufgaben der Netz-, Linien-,Fahr- und Preisplanung. Wir stellen zwei mathematische Optimierungsmodelle zur Linien- und Preisplanung vor. Wir zeigen anhand von Berechnungen für die Verkehrsbetriebe in Potsdam(ViP), dass sich damit komplexe Zusammenhänge quantitativ analysieren lassen. Auf diese Weise untersuchen wir die Auswirkungen von Freiheitsgraden auf die Konstruktion von Linien und die Wahl von Reisewegen der Passagiere, Abhängigkeiten zwischen Kosten und Reisezeiten sowie den Einfluss verschiedener Preissysteme auf Nachfrage und Kostendeckung.

Description: Millionen von Menschen werden allein in Deutschland täglich von Bussen, Bahnen und Flugzeugen transportiert. Der öffentliche Personenverkehr (ÖV) ist von großer Bedeutung für die Lebensqualität einzelner aber auch für die Leistungsfähigkeit ganzer Regionen. Qualität und Effizienz von ÖV-Systemen hängen ab von politischen Rahmenbedingungen (staatlich geplant, wettbewerblich organisiert) und der Eignung der Infrastruktur (Schienensysteme, Flughafenstandorte), vom vorhandenen Verkehrsangebot (Fahr- und Flugplan), von der Verwendung angemessener Technologien (Informations-, Kontroll- und Buchungssysteme) und dem bestmöglichen Einsatz der Betriebsmittel (Energie, Fahrzeuge und Personal). Die hierbei auftretenden Entscheidungs-, Planungs- und Optimierungsprobleme sind z.T. gigantisch und "schreien" aufgrund ihrer hohen Komplexität nach Unterstützung durch Mathematik. Dieser Artikel skizziert den Stand und die Bedeutung des Einsatzes von Mathematik bei der Planung und Durchführung von öffentlichem Personenverkehr, beschreibt die bestehenden Herausforderungen und regt zukunftsweisende Maßnahmen an.

Description: In der Arbeit wird die computergestützte Planung von chirurgisch gesetzten Knochenfrakturen bzw. Knochenschnitten (sogenannten Osteotomien) an dreidimensionalen, computergrafischen Schädelmodellen, sowie die Umpositionierung separierter knöcherner Segmente im Kontext der rekonstruktiven MKG-Chirurgie behandelt. Durch die 3D Modellierung und Visualisierung anatomischer Strukturen, sowie der 3D Osteotomie- und Umstellungsplanung unter Einbeziehung der resultierenden Weichgewebedeformation wird den Chirurgen ein Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem eine Therapieplanung am Computer durchgeführt und diese in Hinblick auf Funktion und Ästhetik bewertet werden kann. Unterschiedliche Strategien können dabei erprobt und in ihrer Auswirkung erfasst werden. Dazu wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der zum einen die chirurgische Planung im Vergleich zu existierenden Ansätzen deutlich verbessert und zum anderen eine robuste Weichgewebeprognose, durch den Einsatz geeigneter Planungsmodelle und eines physikalisch basierten Weichgewebemodells unter Nutzung numerischer Lösungsverfahren in die Planung integriert. Die Visualisierung der Planungsergebnisse erlaubt sowohl eine anschauliche und überzeugende, präoperative Patientenaufklärung, als auch die Demonstration möglicher Vorgehensweisen und deren Auswirkungen für die chirurgische Ausbildung. Ferner ergänzen die Planungsdaten die Falldokumentation und liefern einen Beitrag zur Qualitätssicherung. Die Arbeit ist in sieben Kapitel gegliedert und wie folgt strukturiert: Zuerst wird die medizinische Aufgabenstellung bei der chirurgischen Rekonstruktion von Knochenfehlbildungen und -fehlstellungen in der kraniofazialen Chirurgie sowie die daraus resultierenden Anforderungen an die Therapieplanung beschrieben. Anschließend folgt ein umfassender Überblick über entsprechende Vorarbeiten zur computergestützten Planung knochenverlagernder Operationen und eine kritische Bestandsaufnahme der noch vorhandenen Defizite. Nach der Vorstellung des eigenen Planungsansatzes wird die Generierung individueller, qualitativ hochwertiger 3D Planungsmodelle aus tomografischen Bilddaten beschrieben, die den Anforderungen an eine intuitive, 3D Planung von Umstellungsosteotomien entsprechen und eine Simulation der daraus resultierenden Weichgewebedeformation mittels der Finite-Elemente Methode (FEM) ermöglichen. Die Methoden der 3D Schnittplanung an computergrafischen Modellen werden analysiert und eine 3D Osteotomieplanung an polygonalen Schädelmodellen entwickelt, die es ermöglicht, intuitiv durch Definition von Schnittlinien am 3D Knochenmodell, eine den chirurgischen Anforderungen entsprechende Schnittplanung unter Berücksichtigung von Risikostrukturen durchzuführen. Separierte Knochensegmente lassen sich im Anschluss interaktiv umpositionieren und die resultierende Gesamtanordnung hinsichtlich einer funktionellen Rehabilitation bewerten. Aufgrund des in dieser Arbeit gewählten, physikalisch basierten Modellierungsansatzes kann unter Berücksichtigung des gesamten Weichgewebevolumens aus der Knochenverlagerung direkt die resultierende Gesichtsform berechnet werden. Dies wird anhand von 13 exemplarischen Fallstudien anschaulich demonstriert, wobei die Prognosequalität mittels postoperativer Fotografien und postoperativer CT-Daten überprüft und belegt wird. Die Arbeit wird mit einem Ausblick auf erweiterte Modellierungsansätze und einem Konzept für eine integrierte, klinisch einsetzbare Planungsumgebung abgeschlossen.

Description: In cranio-maxillofacial surgery, physicians are often faced with skeletal malformations that require complex bone relocations. Especially in severe cases of congenital dysgnathia (misalignment of upper and lower jaw) or hemifacial microsomia (asymmetric bone and tissue development), where multiple bone segments are to be mobilized and relocated simultaneously and in relation to each other, careful preoperative planning is mandatory. At present in clinical routine not all possible strategies can be planned and assessed with regard to functional rehabilitation. Moreover, the aesthetic outcome, i.e. the postoperative facial appearance, can only be estimated by a surgeon's experience and hardly communicated to the patient. On this account, a preoperative planning of complex osteotomies with bone relocations on a computerized model of a patient's head, including a reliable three-dimensional prediction and visualization of the post-surgical facial appearance is a highly appreciated possibility cranio-maxillofacial surgeons are longing for. This work, being performed at Zuse Institute Berlin (ZIB), addresses such a computer based 3D~surgery planning. A processing pipeline has been established and a simulation environment has been developed on basis of the software Amira, enabling a surgeon to perform bone cuts and bone rearrangements in an intuitive manner on virtual patient models. In addition, a prediction of the patients' postoperative appearance according to the relocated bone can be simulated and visualized realistically. For a meaningful planning of surgical procedures, anatomically correct patient models providing all relevant details are reconstructed from tomographic data with high fidelity. These patient models reliably represent bony structures as well as the facial soft tissue. Unstructured volumetric grids of the soft tissue are generated for a fast and efficient numerical solution of partial differential equations, describing tissue deformation on the foundation of 3D elastomechanics. The planning of osteotomies (bone cuts) for the mobilization and relocation of bone segments is performed in accordance to the planning on basis of life size replicas of a patient's skull, i.e. stereolitographic models. Osteotomy lines can be drawn on top of the polygonal planning models using suitable input devices. After evaluation of the consequence of a planned cut with regard to vulnerable inner structures (nerves, teeth etc.) the model is separated accordingly. A relocation of bone segments can be performed unrestrictedly in 3D or restricted to a translation or rotation within arbitrarily chosen planes under consideration of cephalometric guidelines. Bone and tooth collisions can be evaluated for functional analysis or orthodontic treatment planning with possible integration of digitized dental plaster casts. As a result of the preoperative planning, a single transformation matrix, encoding translation and rotation, or a sequence of such matrices are provided for each bone segment. Both the osteotomy paths and the transformation parameters can finally be used for intra-operative navigation. In the course of the planning, the relocated positions of bone segments serve as an input for the simulation of the resulting soft tissue deformation. Since bone and surrounding soft tissue share common boundaries that are either fixed or translocated, the resulting configuration of the entire tissue volume can be computed from the given boundary displacements by numerical minimization of the internal strain energy on basis of a biomechanical model, using a finite-element approach. In collaboration with different surgeons and hospitals more than 25 treatments have been accompanied by preoperative planning so far ranging from mandibular and midfacial hypoplasia to complex hemifacial microsomia. 13 of these cases are presented within this work. Simulation results were validated on the basis of photographs as well as of postoperative CT data, showing a good correlation between simulation and postoperative outcome. Further aspects of improving the modeling approach are discussed. It has been demonstrated that 3D~osteotomy planning on virtual patient models can be performed intuitively, and that 3D~tissue deformation for cranio-maxillofacial osteotomy planning can be predicted numerically without using heuristic ratios. It can be stated that by using 3D~planning software, a surgeon gains a better spatial understanding of complex dysplasia, and the 3D~soft tissue prediction gives an additional criterion for the assessment of the planned strategy. It turned out that, especially in complex cases such as hemifacial microsomia or for decisions bet­ween mono- and bimaxillary advancements, a 3D~planning aid is extremely helpful. The conclusion is, that images and animations created within the planning phase provide a valuable planning criterion for maxillofacial surgeons as well as a demonstrative information for patients and their relatives, thus greatly enhancing patient information, as well as surgical education. All data that result from the planning are also important for documentation and quality assurance. 3D osteotomy planning, including soft tissue prediction, likely will become a new paradigm of plastic and reconstructive surgery planning in the future. An assortment of results can be found under: http://www.zib.de/visual/medical/projects