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Konzept und Implementierung eines Systems zur Visualisierung von Zelldifferenzierungssimulationen

 
: Izquierdo Rojas, P.
: Seiler, C.; Barthelmes, J.

Frankfurt, 2004
Frankfurt/M., Univ., Dipl.-Arb., 2004
German
Thesis
Fraunhofer IGD ()
Simulation; 3d visualization; visualisation systems

Abstract
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zunächst den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Zelldifferenzierungssimulatoren und -visualisierungen zu ermitteln. Davon ausgehend wurde ein eigenes Konzept für ein Visualisierungssystem entwickelt. Es wurde in einer prototypischen Implementierung mit dem Titel D-VISION umgesetzt.
Die Recherchearbeiten ergaben, dass in der Forschung bisher hauptsächlich biochemische Reaktions-Netzwerke, die mithilfe von Differentialgleichungen gelöst werden, für Zell-Simulationen benutzt werden. Der dabei verwendete Abstraktionsgrad der repräsentierten Zellen ist zu hoch, um die gestellten Anforderungen einer realistischen 3D-Darstellung der Zellen zu erfüllen. Die grundlegende Idee, die Zelldifferenzierung aufgrund ihrer Genexpression also der in den Zellen vorhandenen Substanzen zu beschreiben, wurde als Basis für das Konzept für D-VISION verwendet.
Die Daten, die visualisiert werden sollen, sind die Zellen selbst, die Substanzen, die in der Zelle vorhanden sind, Substanzen an der Zellhülle und die Gene, die in einer Zelle aktiv sind. Die Visualisierung wird durch Darstellung von aufeinander folgenden Standbildern vorgenommen, in denen navigiert werden kann. Zellen werden in Form von Kugeln repräsentiert, die, um eine realistischere Ansicht zu erreichen, so deformiert werden, dass sich die Kugeloberflächen aneinander angleichen.
Die Deformation bietet nicht nur in der Ansicht von außen ein natürliches Bild. Auch die Möglichkeit, ein Schnittbild durch den Zellhaufen zu erzeugen, ergibt durch die Deformation eine mit realen Mikroskopieaufnahmen vergleichbare Darstellung. Ein solches zweidimensionales Schnittbild kann durch Verschieben der Schnittebene eine stufenlose Fahrt durch die Schichten des simulierten Zellhaufens zeigen. Neben den Zellen selbst, liegt ein besonderes Augenmerk auf der Darstellung von Substanzkonzentrationen. Sie werden durch kleine Objekte (Tiny Cubes) dargestellt. Allerdings unterscheidet sich ihr Einsatz von der bisher verbreiteten Methode, volumetrische Daten durch Farbskalen zu repräsentieren. Sie geben die Stoffmengen allein durch ihre Anzahl wieder. Um Zusammenhänge mit der Zelldifferenzierung erkennbar zu machen, können bis zu drei verschiedene Stoffe gleichzeitig angezeigt werden.
Der Benutzer hat die Möglichkeit, Regeln bezüglich des Zustandes von Zellen zu formulieren. Die so definierten Zellklassen, fassen Zellen gleichen Typs zusammen und ermöglichen so die Darstellung von Zelldifferenzierung.
D-VISION wurde konzipiert, um auch mit Simulatoren zusammen zu arbeiten, die Grid Computing für ihre Berechnungen nutzen. Ein separater Datenaufbereiter soll die Simulationsdaten verwalten. Der entwickelte Prototyp ist flexibel genug, um auch mit einfacheren Simulatoren zusammenzuarbeiten. Auf welchem Weg die visualisierten Daten gewonnen werden, spielt keine Rolle. Auch reine Messwerte, können zu guten Bildern führen.

 

Goal of the available work is it first to determine the developments in research in the area of the cell differentiation simulators and visualizations. Outgoing of it, an own concept for a visualization system was developed. It was converted in a prototypic implementation called D-VISION.
The enquiry work resulted, that in the research so far mainly biochemical reaction networks, which are solved with assistance from differential equations, are used for cell simulations. The degree of abstraction of the represented cells used thereby is too high, in order to fulfill the requirements posed of a realistic 3D-visualisation of the cells. The fundamental idea, to describe the cell differentiation due to their Genexpression, the substances existing in the cells, was used as basis for the concept of D-VISION.
The data, which are to be visualized, are the cells themselves, the substances, which are present in the cell, substances at the cell covering and the genes, which are active in a cell. Visualization is made by representation of sequential fixed images, in which can be navigated. Cells will be represented in form of spheres, which in order to achieve a more realistic view, will be deformed so that the sphere's surfaces adapt themselves together.
The deformation does not only offer in the view from outside a natural picture. Also the possibility of producing a sectional view through the cell heap resulting from the deformation is comparable to a representation with real microscopy photographs. Such a two-dimensional sectional view can show a stepless travel through the layers of the simulated cell heap by shifting the cutting plane. Beside the cells themselves, rests a special attention on the representation of substance concentrations. They are represented by small objects (Tiny Cubes). However their use differs from the method spread so far, to represent volumetric data by color scales. They show the amounts of substances only by their number. In order to make recognizable connections with the cell differentiation, there can be indicated up to three different substances at the same time.
The user has the possibility of formulating definitions concerning the condition of the cells. The so defined cell classes, summarize cells of same type and that way make the representation of cell differentiation possible.
D-VISION was also conceived, in order to work together with simulators, which use Grid Computing for their calculations. A separate data-preparator is to administer the simulation data. The developed prototype is flexibly enough, in order to co-operate even with simpler simulators. How the visualized data are won, plays no role. Also pure measured values, can lead to good pictures.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-23677.html