E-Learning 2.0 in hydraulic engineering education

In this contribution the experiences with e-Learning 2.0 applications by using a Wiki for the education in hydraulic engineering are shown. Up to now important information for the students has been prepared by the instructor. For this project the students were asked to collaborate and search on their own for the information they needed. Therefore a Wiki-system was used. For the engineering practice a self dependent realisation of tasks is an important requirement which students should be prepared for. With the help of online communication there should be shown the possibilities for students for working together in an interdisciplinary team. The positive experiences as well as the results of the evaluation of this project plead for a continuation of the application of e-Learning 2.0 for education. The comparison of results of tests without using Wiki and with using Wiki shows a qualitative tendency of better marks. In this contribution we present the application of Wiki in hydraulic engineering but the results can also be used for other engineering disciplines.

3D-Printing mit der PolyJet-Technologie von Objet

Objet Geometries Ltd entwickelt und produziert Rapid Prototyping Systeme und Materialien auf Basis der Polyjet-Technologie und bietet diese im internationalen Markt an. Objet ist der „Pionier“ in der Entwicklung der Polyjet-Technologie zur schnellen Erstellung von hochwertigen Modellen aus den 3D-Daten der Design- und CAx-Systeme. Die Oberflächenqualität, die schnelle Reinigung des Supportmaterials mit Hilfe eines Wasserstrahls, die Bauteilqualität hinsichtlich der Genauigkeit sowie die einfache Bedienung der Systeme zu einem hervorragenden Preis/Leistungsverhältnis zeichnen Objet als Marktführer dieser Technologie aus. Die Systeme von Objet sind insbesondere für den Anwender in Design und Engineering konzipiert und können in einer Büroumgebung betrieben werden. Die verwendeten Materialien sind für den Anwender ohne jegliche Gefahr einsetzbar und sind von einem deutschen Institut mit entsprechenden Zertifikaten dokumentiert. Die Produktlinie von Objet ermöglicht im Design und Engineering die Zeiten in der Produktentwicklung erheblich zu reduzieren. Kunden von Objet sind in Nordamerika, Europa, Asien und Australien zu finden, viele von ihnen sind bedeutende Unternehmen aus den Märkten Automobilindustrie, Elektronik/Elektrotechnik, Spielwaren, Medizin, Konsumerprodukte, Schuhindustrie, Schmuckindustrie und vielen anderen Branchen. Objet wurde 1998 gegründet und befindet sich im privaten Besitz. Das Unternehmen wird von Investoren wie der Scitex Corporation sowie von weiteren privaten Investoren, Unternehmer-Kapitalfonden and Kooperationen in USA, Japan, Europa und Israel unterstützt. Aus Wettbewerbsgründen werden Unternehmenszahlen derzeit nicht öffentlich zur Verfügung gestellt. Das Unternehmen beschäftigt zur Zeit weltweit ca. 75 Mitarbeiter und verfügt über eigene Vertriebs- und Servicecenter in den USA und Europa, sowie Vertriebspartnern in der ganzen Welt. Seit Mitte 2001 wurden über 170 Systeme weltweit vermarktet und installiert. Der Vortrag anlässlich der RapidTech wird diese noch recht „junge“ Technologie, deren Vorteile für den Anwender sowie die möglichen Applikationen an Hand von konkreten Beispielen im Detail erläutern.

Rapid Manufacturing in der Kleinserienproduktion

Die enormen Fortschritte der Rechentechnik in den vergangenen 60 Jahren ermöglichten vielfältige Berechnungen, Simulationen und nicht zu letzt 3D-Konstruktionen sowie deren einheitliches Beschreiben mittels 3D-Flächendaten. Ebenso wurde es möglich real existierende Gegenstände zu vermessen und als 3D-Geometrie datentechnisch zu hinterlegen.

Rapid Manufacturing - auch mit SLM

Rapid Manufacturing (RM) wurde als Schlagwort in der letzten Zeit insbesondere aus dem Bereich des Selective Laser Sintering (SLS) bekannt. In dieser inzwischen über 15-jährigen Technologieentwicklung wurden in den vergangenen Jahren bedeutende Fortschritte erzielt, die die Bauteileigenschaften nahe an die Anforderungen für End-Teile heran brachten. So ist das RM denn auch weniger aus der Sicht grösserer Losgrösse zu verstehen. Viel mehr bedeutet Rapid Manufacturing, dass die Bauteile nach einer generativen Fertigung direkt im Endprodukt resp. der Endanwendung zum Einsatz kommt. Das Selective Laser Melting, mit welchem aus metallischen Pulvermaterialien direkt Metallteile in Standardmaterialien hergestellt werden können, ist aufgrund der guten Materialeigenschaften für RM prädestiniert. In den ersten Anwendungsfeldern des SLM–Verfahrens standen die Herstellung von Werkzeugeinsätzen mit konturnaher Kühlung (Conformal Cooling) im Vordergrund, wobei diese Werkzeuge unter dem Begriff RM verstanden werden müssen, da die Werkzeuge direkt für die Endanwendung - den Spritzgussprozess - verwendet werden. Aktuelle Trends gehen jedoch in Richtung der Fertigung von Funktionsteilen z.B. für den Maschinenbau. Obwohl sich in der Fertigung komplexer Funktionsteile noch Probleme, z.B. mit in Bezug auf die generative Baurichtung überhängender Bauteilstrukturen ergeben, zeigen sich trotzdem erhebliche Vorteile eines RM mittels SLM. Neben klaren Vorteilen durch das mögliche Customizing von Bauteilen können bei kleineren Bauteilgrössen auch erhebliche Kostenvorteile erzielt werden. Allerdings zeigen die Grenzen der aktuellen Möglichkeiten, in welchen Bereichen das SLM-Verfahren weiterer Entwicklung bedarf. Themen wie Produktivität, die Problematik der nach wie vor notwendigen Supportstrukturen wie auch Qualitätssicherung müssen in den nächsten Jahren angegangen werden, wenn dieses Verfahren den Schritt hin zu einem etablierten Produktionsverfahren und damit zu breiterer Akzeptanz und Anwendung finden soll

Trends and Expertise Exchange within Rapid Manufacturing in Europe

Rapid Manufacturing (RM) umfasst den Begriff der direkten und wirtschaftlichen Bauteilherstellung des Serienprodukts aus 3D-Daten. Die Hauptvorteile sind u.a. das Wegfallen von Werkzeugen und eine Designfreiheit in der Produktentwicklung, die noch vor wenigen Jahren undenkbar war. Wenngleich heute eine Vielzahl von Werkstoffen im Kunststoff- und Metallbereich einsetzbar sind, konzentriert sich die Verbreitung des RM allerdings auf besondere Technologie- und Wirtschaftszweige, aufgrund mangelnder Erfahrungswerte, teilweise abweichender Werkstoffeigenschaften, fehlender Standards und ungeeigneter Testmethoden. In der Praxis sind Ingenieure und Techniker stark darauf bedacht, auf etablierte Abläufe und Standards zurückzugreifen. Es ist daher schwer einen geeigneten RM-Prozess aufzubauen, wo wichtige Eingangsgrößen meist unbekannt sind. In diesem Bericht wird beschrieben, welche Informationskanäle es innerhalb Europas zum Thema RM gibt und welche Hochschulen und Forschungszentren Aktivitäten aufweisen. Darüber hinaus werden Anwendungsfelder des RM aufgeführt, die über die bekannten Anwendungsfelder hinaus gehen. Dazu gehören Anwendungen im Bereich der Elektrotechnik, Raumfahrtinstrumentation und der Mode. Obwohl nicht alle Anwendungen des RM in diesem Bericht aufgeführt werden, sind einige Schlüsselinformationen im Bereich innovativer Anwendungen von RM enthalten.

Ansätze zur Verbesserung von Qualität und Wirtschaftlichkeit bei generativen Verfahren durch Optimierung des Pre-Processes

Mittels generativer Fertigung ist es heute möglich die, Entwicklungszeit und Ferti-gungsdauer von Prototypen, Produkten und Werkzeugen zu verkürzen. Neben dieser Zeitersparnis sind die im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren unwe-sentlichen Geometriebeschränkungen für den Anwender von besonderem Interesse. Dieses Alleinstellungsmerkmal der generativen Fertigung macht es möglich auch komplexe Geometrie wirtschaftlich herzustellen. Voraussetzung für eine wirtschaftli-che und fehlerminimierte Fertigung ist hierbei eine möglichst optimale Prozessvorbe-reitung (Pre-Processing). Dabei sind insbesondere die Schritte der Bauteilorientie-rung, der Stützkonstruktionserzeugung, der Schichtzerlegung sowie der Bauraum-ausnutzung von Interesse. Auch wenn diese Punkte wesentlich zur Qualität und Wirtschaftlichkeit beitragen, sind die Erkenntnisse für den unerfahrenen Anwender nur unzureichend dokumentiert, wodurch eine möglichst effiziente Fertigung zu-nächst ausgeschlossen werden kann. Anhand unterschiedlicher Beispiele sollen dem Anwender hier die Möglichkeiten zur Optimierung dieser Pre-Processing Schritte er-läutert werden. In diesem Rahmen werden die aktuellen Forschungsergebnisse des Lehrstuhls Rechnereinsatz in der Konstruktion, Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen in Bezug auf die Optimierung der Bauteilorientierung, der variablen Schichtzerlegung und der Optimierung der Bauraumausnutzung vorgestellt.

3D scaffolds co-seeded with human endothelial progenitor and mesenchymal stem cells: evidence of prevascularisation within 7 days

Blood supply is a critical issue in most tissue engineering approaches for large defect healing. As vessel ingrowth from surrounding tissues is proven to be insufficient, current strategies are focusing on the neo-vascularisation process. In the present study, we developed an in vitro pre-vascularised construct using 3D polyurethane (PU) scaffolds, based on the association of human Endothelial Progenitor Cells (EPC, CD34+ and CD133+) with human Mesenchymal Stem Cells (MSC). We showed the formation of luminal tubular structures in the co-seeded scaffolds as early as day 7 in culture. These tubular structures were proven positive for endothelial markers von Willebrand Factor and PECAM-1. Of special significance in our constructs is the presence of CD146-positive cells, as a part of the neovasculature scaffolding. These cells, coming from the mesenchymal stem cells population (MSC or EPC-depleted MSC), also expressed other markers of pericyte cells (NG2 and αSMA) that are known to play a pivotal function in the stabilisation of newly formed pre-vascular networks. In parallel, in co-cultures, osteogenic differentiation of MSCs occurred earlier when compared to MSCs monocultures, suggesting the close cooperation between the two cell populations. The presence of angiogenic factors (from autologous platelet lysates) in association with osteogenic factors seems to be crucial for both cell populations' cooperation. These results are promising for future clinical applications, as all components (cells, growth factors) can be prepared in an autologous way.

An integrated system for 3D hip joint reconstruction from 2D X-rays: a preliminary validation study

The acquisition of conventional X-ray radiographs remains the standard imaging procedure for the diagnosis of hip-related problems. However, recent studies demonstrated the benefit of using three-dimensional (3D) surface models in the clinical routine. 3D surface models of the hip joint are useful for assessing the dynamic range of motion in order to identify possible pathologies such as femoroacetabular impingement. In this paper, we present an integrated system which consists of X-ray radiograph calibration and subsequent 2D/3D hip joint reconstruction for diagnosis and planning of hip-related problems. A mobile phantom with two different sizes of fiducials was developed for X-ray radiograph calibration, which can be robustly detected within the images. On the basis of the calibrated X-ray images, a 3D reconstruction method of the acetabulum was developed and applied together with existing techniques to reconstruct a 3D surface model of the hip joint. X-ray radiographs of dry cadaveric hip bones and one cadaveric specimen with soft tissue were used to prove the robustness of the developed fiducial detection algorithm. Computed tomography scans of the cadaveric bones were used to validate the accuracy of the integrated system. The fiducial detection sensitivity was in the same range for both sizes of fiducials. While the detection sensitivity was 97.96% for the large fiducials, it was 97.62% for the small fiducials. The acetabulum and the proximal femur were reconstructed with a mean surface distance error of 1.06 and 1.01 mm, respectively. The results for fiducial detection sensitivity and 3D surface reconstruction demonstrated the capability of the integrated system for 3D hip joint reconstruction from 2D calibrated X-ray radiographs.

3D Face Reconstruction from 2D Pictures: First Results of a Web-Based Computer Aided System for Aesthetic Procedures

The human face is a vital component of our identity and many people undergo medical aesthetics procedures in order to achieve an ideal or desired look. However, communication between physician and patient is fundamental to understand the patient’s wishes and to achieve the desired results. To date, most plastic surgeons rely on either “free hand” 2D drawings on picture printouts or computerized picture morphing. Alternatively, hardware dependent solutions allow facial shapes to be created and planned in 3D, but they are usually expensive or complex to handle. To offer a simple and hardware independent solution, we propose a web-based application that uses 3 standard 2D pictures to create a 3D representation of the patient’s face on which facial aesthetic procedures such as filling, skin clearing or rejuvenation, and rhinoplasty are planned in 3D. The proposed application couples a set of well-established methods together in a novel manner to optimize 3D reconstructions for clinical use. Face reconstructions performed with the application were evaluated by two plastic surgeons and also compared to ground truth data. Results showed the application can provide accurate 3D face representations to be used in clinics (within an average of 2 mm error) in less than 5 min.

Reconstruction of 3D Vertebral Models from a Single 2D Lateral Fluoroscopic Image

Accurate three-dimensional (3D) models of lumbar vertebrae are required for image-based 3D kinematics analysis. MRI or CT datasets are frequently used to derive 3D models but have the disadvantages that they are expensive, time-consuming or involving ionizing radiation (e.g., CT acquisition). In this chapter, we present an alternative technique that can reconstruct a scaled 3D lumbar vertebral model from a single two-dimensional (2D) lateral fluoroscopic image and a statistical shape model. Cadaveric studies are conducted to verify the reconstruction accuracy by comparing the surface models reconstructed from a single lateral fluoroscopic image to the ground truth data from 3D CT segmentation. A mean reconstruction error between 0.7 and 1.4 mm was found.

Automated 3D Lumbar Intervertebral Disc Segmentation from MRI Data Sets

This paper proposed an automated 3D lumbar intervertebral disc (IVD) segmentation strategy from MRI data. Starting from two user supplied landmarks, the geometrical parameters of all lumbar vertebral bodies and intervertebral discs are automatically extracted from a mid-sagittal slice using a graphical model based approach. After that, a three-dimensional (3D) variable-radius soft tube model of the lumbar spine column is built to guide the 3D disc segmentation. The disc segmentation is achieved as a multi-kernel diffeomorphic registration between a 3D template of the disc and the observed MRI data. Experiments on 15 patient data sets showed the robustness and the accuracy of the proposed algorithm.

Articulated Statistical Shape Model-Based 2D-3D Reconstruction of a Hip Joint

In this paper, reconstruction of three-dimensional (3D) patient-specific models of a hip joint from two-dimensional (2D) calibrated X-ray images is addressed. Existing 2D-3D reconstruction techniques usually reconstruct a patient-specific model of a single anatomical structure without considering the relationship to its neighboring structures. Thus, when those techniques would be applied to reconstruction of patient-specific models of a hip joint, the reconstructed models may penetrate each other due to narrowness of the hip joint space and hence do not represent a true hip joint of the patient. To address this problem we propose a novel 2D-3D reconstruction framework using an articulated statistical shape model (aSSM). Different from previous work on constructing an aSSM, where the joint posture is modeled as articulation in a training set via statistical analysis, here it is modeled as a parametrized rotation of the femur around the joint center. The exact rotation of the hip joint as well as the patient-specific models of the joint structures, i.e., the proximal femur and the pelvis, are then estimated by optimally fitting the aSSM to a limited number of calibrated X-ray images. Taking models segmented from CT data as the ground truth, we conducted validation experiments on both plastic and cadaveric bones. Qualitatively, the experimental results demonstrated that the proposed 2D-3D reconstruction framework preserved the hip joint structure and no model penetration was found. Quantitatively, average reconstruction errors of 1.9 mm and 1.1 mm were found for the pelvis and the proximal femur, respectively.

3D Intervertebral Disc Localization and Segmentation from MR Images by Data-Driven Regression and Classification

In this paper we propose a new fully-automatic method for localizing and segmenting 3D intervertebral discs from MR images, where the two problems are solved in a unified data-driven regression and classification framework. We estimate the output (image displacements for localization, or fg/bg labels for segmentation) of image points by exploiting both training data and geometric constraints simultaneously. The problem is formulated in a unified objective function which is then solved globally and efficiently. We validate our method on MR images of 25 patients. Taking manually labeled data as the ground truth, our method achieves a mean localization error of 1.3 mm, a mean Dice metric of 87%, and a mean surface distance of 1.3 mm. Our method can be applied to other localization and segmentation tasks.

Localization and Segmentation of 3D Intervertebral Discs in MR Images by Data Driven Estimation

This paper addresses the problem of fully-automatic localization and segmentation of 3D intervertebral discs (IVDs) from MR images. Our method contains two steps, where we first localize the center of each IVD, and then segment IVDs by classifying image pixels around each disc center as foreground (disc) or background. The disc localization is done by estimating the image displacements from a set of randomly sampled 3D image patches to the disc center. The image displacements are estimated by jointly optimizing the training and test displacement values in a data-driven way, where we take into consideration both the training data and the geometric constraint on the test image. After the disc centers are localized, we segment the discs by classifying image pixels around disc centers as background or foreground. The classification is done in a similar data-driven approach as we used for localization, but in this segmentation case we are aiming to estimate the foreground/background probability of each pixel instead of the image displacements. In addition, an extra neighborhood smooth constraint is introduced to enforce the local smoothness of the label field. Our method is validated on 3D T2-weighted turbo spin echo MR images of 35 patients from two different studies. Experiments show that compared to state of the art, our method achieves better or comparable results. Specifically, we achieve for localization a mean error of 1.6-2.0 mm, and for segmentation a mean Dice metric of 85%-88% and a mean surface distance of 1.3-1.4 mm.