Direkt zum Inhalt
Diese Seite wird bereitgestellt von Deutscher Zukunftspreis

Deutscher Zukunftspreis 2017 – Team 1: Anatomie trifft Kino – Cinematic Rendering

Moderne bildgebende Verfahren lassen tief in den menschlichen Körper hinein blicken. Doch die Aufnahmen, die sie liefern, sind für Laien nur schwer zu deuten. Gibt es eine Möglichkeit, medizinische Bilder so aufzubereiten, dass sie natürlich wirken und für jeden begreifbar werden?
Anatomie trifft Kino – Cinematic Rendering

Veröffentlicht am: 26.09.2017

Laufzeit: 0:37:58

Sprache: deutsch

Der Deutsche Zukunftspreis, der Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation, wird seit 1997 jährlich vergeben. Er gehört zu den wichtigsten Wissenschaftsauszeichnungen in Deutschland, aber er ist mehr als ein Forschungspreis. Ihn erhält, wer – ausgehend von exzellenter Wissenschaft – überzeugende Produkte und Projekte entwickelt und damit Arbeitsplätze schafft.

Dr. rer. nat. Dipl.-Inf. (Univ.) Klaus Dieter Engel, Prof. Dr. med. Franz A. Fellner und Dr.-Ing. Robert Schneider haben eine Technologie entwickelt, die das leistet. Sie basiert auf einem Ansatz, der für die Produktion wirklichkeitsnaher Animationsfilme geschaffen wurde. Das Verfahren nutzt eine naturgetreue künstliche Beleuchtung, bei der die komplizierte Ausbreitung und Veränderung des Lichts imitiert wird. Die drei nominierten Forscher haben es für Anwendungen in der Medizin weiterentwickelt. Damit lassen sich klinische Aufnahmen aus dem Körperinneren in einer völlig neuen "hyperrealistischen" Form darstellen. Klaus Dieter Engel (zum Video-Kurzinterview) und Robert Schneider sind führende Experten für Visualisierung bei Siemens Healthineers in Erlangen, Franz A. Fellner leitet das Zentrale Radiologie Institut am Kepler Universitätsklinikum in Linz.

Bildgebende Verfahren wie die Computer- und Magnetresonanztomografie, bei denen der Körper mithilfe von Röntgenstrahlen oder Magnetfeldern dargestellt wird, können weniger als ein Millimeter feine Details von Organen oder Gewebestrukturen auflösen. Die Abbildungen, die Schicht für Schicht erstellt werden, liefern Medizinern Hinweise auf innere Verletzungen oder Krankheitsmerkmale. Doch für Laien, die sich mit der menschlichen Anatomie weniger gut auskennen, bleiben die Aufnahmen oft unverständlich. Das erschwert die Kommunikation zwischen Radiologen und zuweisenden Ärzten, vor allem aber zwischen Medizinern und Patienten.

Fotorealistische Darstellungen, die selbst kleine Strukturen hervortreten lassen

Um dieses Hindernis zu überwinden, ließen sich die beiden Siemens-Forscher Klaus Dieter Engel und Robert Schneider von einer Methode inspirieren, die bereits in Animationsfilmen zum Einsatz kommt: Beim Rendering werden virtuelle Figuren nachträglich so beleuchtet, dass sie sich wie in einer echten Szenerie in die Umgebung einfügen. Das Verfahren ist sehr aufwändig, da es physikalische Effekte wie Reflexion, Absorption und Farbveränderung von sehr vielen Lichtstrahlen berücksichtigt, die durch Objekte in der Umgebung beeinflusst werden. Im Studio geschieht das Rendern meist in einer langwierigen Nachbearbeitung des Films. Für medizinische Anwendungen hingegen müssen die aufbereiteten Bilder sehr schnell zur Verfügung stehen.

Die Forscher bei Siemens Healthineers erreichten das durch einen eigens entwickelten mathematischen Algorithmus, der bei der Berechnung einer fotorealistischen Beleuchtung nur diejenigen Lichtstrahlen simuliert, die tatsächlich ins Auge des Betrachters gelangen. Dank vieler weiterer Optimierungen des Algorithmus verringert sich der Rechenaufwand so stark, dass sich das Verfahren auf den meisten Computern anwenden lässt. Als Resultat liefert das "Cinematic Rendering" dreidimensionale und fotorealistische Abbildungen des Körpers, die selbst feine Strukturen deutlich und plastisch hervortreten lassen. Durch Kombination mit entsprechenden Messdaten, etwa aus der PET-Computertomografie, können sie auch funktionale Informationen wie den Stoffwechsel im Körper abbilden.

Virtuell in den Körper eintauchen, um Operationen vorzubereiten

Die sehr anschauliche und natürlich wirkende Visualisierung klinischer Daten erleichtert es Ärzten, ihren Patienten Schädigungen im Körper, die Diagnose einer Erkrankung oder den Ablauf einer geplanten Operation zu erklären. Zudem lässt sich das Verfahren zur Aus- und Weiterbildung von Medizinstudenten, Therapeuten oder Pflegekräften einsetzen, da es bislang undenkbare Einblicke in anatomische Details erlaubt – und zum Beispiel Fasern im menschlichen Gehirn mit einer sonst nicht möglichen Feinheit darstellen kann. Zudem ist es damit möglich, die wirklichkeitsnahen 3-D-Bilder eines lebendigen menschlichen Körpers beliebig zu drehen und je nach Anwendungsfall aufzubereiten.

In Softwareprodukten für die Visualisierung von klinischen Bilddaten bietet Siemens Healthineers Medizinern und Wissenschaftlern die Verwendung von Cinematic Rendering bereits an. Franz A. Fellner setzt die Technologie seit 2015 im Ars Electronica Center – einem Hightech-Museum für Zukunftstechnologien in Linz – ein: für eindrucksvolle Vorführungen, bei denen die Zuschauer virtuell in den menschlichen Körper eintauchen, sowie zur Ausbildung und Schulung von Medizinern. Zudem kommt die Technologie am Linzer Universitätsklinikum bereits als Hilfsmittel für die Vorbereitung von Operationen zum Einsatz. Seit Sommer 2017 läuft auch am Universitätsklinikum Erlangen ein Test von Cinematic Rendering als Hilfsmittel für die Planung chirurgischer Eingriffe, etwa an Leber, Galle oder Bauchspeicheldrüse.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen. 

Das Projekt "Anatomie trifft Kino – Cinematic Rendering" wurde vom Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. (BDI) eingereicht.

Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier verleiht am 29. November 2017 den 21. Deutschen Zukunftspreis 2017 an eines der drei nominierten Teams.

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.