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Knowledge Visualization

Farbe und Erkenntnis in der virtuellen Autopsie

Designstrategien zur Visualisierung von Haarriss-Schädelfrakturen in postmortalen Computertomografischen (PMCT) 3D-Rekonstruktionen

Wie lassen sich PMCT 3D-Rekonstruktionen mittels Farben so codieren, dass klinisch-forensische Befunde von besonders dünnen Haarriss-Schädelfrakturen effizient rekonstruierbar, expressiv visualisierbar und effektiv vermittelbar sind?

Hintergrund

In der Rechtsmedizin gewinnt die PMCT 3D-Rekonstruktion von Verletzungsformen des menschlichen Schädels an Bedeutung. Die Art und Weise wie CT-Daten visualisiert werden, hat einen grossen Einfluss darauf, wie die Strukturen der dargestellten Befunde visuell wahrgenommen werden. Dabei spielt der Einsatz von Farben sowie Transparenz eine zentrale Rolle. Farben beeinflussen nicht nur die Expressivität und die Informationsdichte einer Visualisierung, sondern auch die forensische Interpretation über das Ausmass und die Form der Verletzung.

Die 3D-Rekonstruktionstechnik, die sogenannte Volumenrenderingtechnik (VRT), die derzeit beim Institut für Rechtsmedizin der Universität Zürich (IRM UZH) verwendet wird, reduziert den Detailreichtum bei der Visualisierung entscheidend. Sehr dünne Schädelfrakturlinien (englisch: hairline fractures ) werden dreidimensional generell nicht ausreichend akkurat, oder sogar ganz und gar nicht dargestellt.

Material und Methoden

Mit einer Reihe von Experimenten wurden die CT-Daten in einer exemplarischen Fallstudie mit Falschfarben, aufgrund von Farb- und Helligkeitskontrasten sowie Transparenzwerten codiert. Die resultierenden Visualisierungen wurden durch Variantenbildung evaluiert. Für die Validierung wurde die Frakturspalte entlang der Frakturlinie orthogonal vermessen, um die Haarriss-Frakturdarstellung qualitativ zu prüfen.

Ergebnisse

Als Ergebnis der Arbeit zeigt sich insgesamt, dass bewusst gewählte Farbkontraste in Kombination mit einer geeigneten Opazität/Transparenz für alle PMCT 3D-Rekonstruktionen «Werkzeuge der Erkenntnis» sind: Ihre sachgerechte Auswahl bestimmt, ob der Befund einer dünnen Haarriss-Schädelfraktur bei besonders subtilen Dichteunterschieden in den CT-Daten expressiv und effektiv visualisierbar ist. Erst dann ist es möglich relevante – aber bisher verborgene – Information sichtbar zu machen und adäquat darzustellen und somit die Grundlage für eine sachgemässe Interpretation bereitzustellen. Die in dieser Arbeit experimentell optimierten sogenannten Transferfunktionen übertreffen die Standards des Software-Herstellers. Vordefinierte Farbkontraste- und Transparenz-Kombinationen in Form von Software-Presets ermöglichen dem IRM Visualisierungen effizient zu produzieren und dadurch Zeit und Kosten zu sparen.

Eloisa Aldomar
MA-Diplome 2019


Gestalterisches Mentorat
Joe Rohrer
Simon Tschachtli

Kooperationspartner
Dr. med. Wolf Schweitzer, Institut für Rechtsmedizin der Universität Zürich (IRM UZH)

Ausgangslage: 3D-Rekonstruktionen des Skeletts von Kopf und Hals der exemplarischen Fallstudie CS01 mit Haarriss-Schädelfrakturen. In der Rechtsmedizin ist oft das gesamte Ausmass einer Verletzung bis ins allerletzte Detail von rechtlicher Relevanz. Haarrisse sind besonders dünne Risse in Schädelknochen, die bei Verwendung standardisierter Software-Presets vom Hersteller zur dreidimensionalen Rekonstruktion oft ungenügend oder gar nicht dargestellt werden.
Ausgangslage: 3D-Rekonstruktionen des Skeletts von Kopf und Hals der exemplarischen Fallstudie CS01 mit Haarriss-Schädelfrakturen. In der Rechtsmedizin ist oft das gesamte Ausmass einer Verletzung bis ins allerletzte Detail von rechtlicher Relevanz. Haarrisse sind besonders dünne Risse in Schädelknochen, die bei Verwendung standardisierter Software-Presets vom Hersteller zur dreidimensionalen Rekonstruktion oft ungenügend oder gar nicht dargestellt werden.
Ergebnisbeispiel: Anwendung eines Software-Presets als Kalt/Warm-Kontrast. Eine kontrastreiche Gestaltung ist eine Kombination aus mehreren Kontrasten, die sich im Optimalfall ergänzen und in ihrer Wirkung steigern. Es geht dabei nicht nur um Farben in einer Falschfarbendarstellung, sondern auch um das Erzeugen von Kontrasten, um die effektive visuelle Vermittlung der hier erkenntnisvermittelnden, bei dünnen Bruchlinien besonders subtilen Dichteunterschiede in den CT-Daten.
Ergebnisbeispiel: Anwendung eines Software-Presets als Kalt/Warm-Kontrast. Eine kontrastreiche Gestaltung ist eine Kombination aus mehreren Kontrasten, die sich im Optimalfall ergänzen und in ihrer Wirkung steigern. Es geht dabei nicht nur um Farben in einer Falschfarbendarstellung, sondern auch um das Erzeugen von Kontrasten, um die effektive visuelle Vermittlung der hier erkenntnisvermittelnden, bei dünnen Bruchlinien besonders subtilen Dichteunterschiede in den CT-Daten.
Validierung der optimierten Software-Presets: 3D-Rekonstruktionen des Schädels von fünf repräsentativen Fallstudien mit Haarriss-Schädelfrakturen als Falschfarbendarstellung. Durch die Kontrastverstärkung werden Strukturen in der darzustellenden Datenqualität deutlich visuell erkennbar. Die optimierten Transferfunktionen als gespeicherte Software-Presets ermöglichen bei einer fraktal abnehmenden immer dünner werdenden Frakturspalte (Berstungsfraktur) das unsichtbar Gemessene sichtbar zu machen.
Validierung der optimierten Software-Presets: 3D-Rekonstruktionen des Schädels von fünf repräsentativen Fallstudien mit Haarriss-Schädelfrakturen als Falschfarbendarstellung. Durch die Kontrastverstärkung werden Strukturen in der darzustellenden Datenqualität deutlich visuell erkennbar. Die optimierten Transferfunktionen als gespeicherte Software-Presets ermöglichen bei einer fraktal abnehmenden immer dünner werdenden Frakturspalte (Berstungsfraktur) das unsichtbar Gemessene sichtbar zu machen.
Experimente mit konventionellen Farbskalen (Farbgradienten): 3D-Rekonstruktionen des Skeletts von Kopf und Hals der exemplarischen Fallstudie CS01 (anonymisierter Datensatz) mit Haarriss-Schädelfrakturen A und B als Falschfarbendarstellung. Befund B ist als Ausschnittvergrösserung dargestellt.
Experimente mit konventionellen Farbskalen (Farbgradienten): 3D-Rekonstruktionen des Skeletts von Kopf und Hals der exemplarischen Fallstudie CS01 (anonymisierter Datensatz) mit Haarriss-Schädelfrakturen A und B als Falschfarbendarstellung. Befund B ist als Ausschnittvergrösserung dargestellt.
Experimente mit Kalt/Warm-Kontrasten: 3D-Rekonstruktionen des Skeletts von Kopf und Hals der exemplarischen Fallstudie CS01 (anonymisierter Datensatz) mit Haarriss-Schädelfraktur B als Falschfarbendarstellung. Eine kontrastreiche Gestaltung enthält eine Kombination aus mehreren Kontrasten, die sich im Optimalfall ergänzen und in ihrer Wirkung steigern. Es geht dabei nicht nur um Farben in einer Falschfarbendarstellung, sondern auch um das Erzeugen von Kontrasten, um die bei dünnen Frakturlinien besonders subtilen Dichteunterschiede in den CT-Daten effektiv visuell zu vermitteln.
Experimente mit Kalt/Warm-Kontrasten: 3D-Rekonstruktionen des Skeletts von Kopf und Hals der exemplarischen Fallstudie CS01 (anonymisierter Datensatz) mit Haarriss-Schädelfraktur B als Falschfarbendarstellung. Eine kontrastreiche Gestaltung enthält eine Kombination aus mehreren Kontrasten, die sich im Optimalfall ergänzen und in ihrer Wirkung steigern. Es geht dabei nicht nur um Farben in einer Falschfarbendarstellung, sondern auch um das Erzeugen von Kontrasten, um die bei dünnen Frakturlinien besonders subtilen Dichteunterschiede in den CT-Daten effektiv visuell zu vermitteln.
Experimente zur additiven Farbmischung in der VRT: 3D-Rekonstruktionen von farbcodierten Knochengewebestrukturen
Experimente zur additiven Farbmischung in der VRT: 3D-Rekonstruktionen von farbcodierten Knochengewebestrukturen