936 resultados para Two-Dimensional Search Problem
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Die vorliegende Arbeit untersucht das inverse Hindernisproblem der zweidimensionalen elektrischen Impedanztomographie (EIT) mit Rückstreudaten. Wir präsentieren und analysieren das mathematische Modell für Rückstreudaten, diskutieren das inverse Problem für einen einzelnen isolierenden oder perfekt leitenden Einschluss und stellen zwei Rekonstruktionsverfahren für das inverse Hindernisproblem mit Rückstreudaten vor. Ziel des inversen Hindernisproblems der EIT ist es, Inhomogenitäten (sogenannte Einschlüsse) der elektrischen Leitfähigkeit eines Körpers aus Strom-Spannungs-Messungen an der Körperoberfläche zu identifizieren. Für die Messung von Rückstreudaten ist dafür nur ein Paar aus an der Körperoberfläche nahe zueinander angebrachten Elektroden nötig, das zur Datenerfassung auf der Oberfläche entlang bewegt wird. Wir stellen ein mathematisches Modell für Rückstreudaten vor und zeigen, dass Rückstreudaten die Randwerte einer außerhalb der Einschlüsse holomorphen Funktion sind. Auf dieser Grundlage entwickeln wir das Konzept des konvexen Rückstreuträgers: Der konvexe Rückstreuträger ist eine Teilmenge der konvexen Hülle der Einschlüsse und kann daher zu deren Auffindung dienen. Wir stellen einen Algorithmus zur Berechnung des konvexen Rückstreuträgers vor und demonstrieren ihn an numerischen Beispielen. Ferner zeigen wir, dass ein einzelner isolierender Einschluss anhand seiner Rückstreudaten eindeutig identifizierbar ist. Der Beweis dazu beruht auf dem Riemann'schen Abbildungssatz für zweifach zusammenhängende Gebiete und dient als Grundlage für einen Rekonstruktionsalgorithmus, dessen Leistungsfähigkeit wir an verschiedenen Beispielen demonstrieren. Ein perfekt leitender Einschluss ist hingegen nicht immer aus seinen Rückstreudaten rekonstruierbar. Wir diskutieren, in welchen Fällen die eindeutige Identifizierung fehlschlägt und zeigen Beispiele für unterschiedliche perfekt leitende Einschlüsse mit gleichen Rückstreudaten.
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Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.
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Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Kombination verschiedener numerischer Methoden, sowie deren Anwendung auf Probleme stark korrelierter Elektronensysteme. Solche Materialien zeigen viele interessante physikalische Eigenschaften, wie z.B. Supraleitung und magnetische Ordnung und spielen eine bedeutende Rolle in technischen Anwendungen. Es werden zwei verschiedene Modelle behandelt: das Hubbard-Modell und das Kondo-Gitter-Modell (KLM). In den letzten Jahrzehnten konnten bereits viele Erkenntnisse durch die numerische Lösung dieser Modelle gewonnen werden. Dennoch bleibt der physikalische Ursprung vieler Effekte verborgen. Grund dafür ist die Beschränkung aktueller Methoden auf bestimmte Parameterbereiche. Eine der stärksten Einschränkungen ist das Fehlen effizienter Algorithmen für tiefe Temperaturen.rnrnBasierend auf dem Blankenbecler-Scalapino-Sugar Quanten-Monte-Carlo (BSS-QMC) Algorithmus präsentieren wir eine numerisch exakte Methode, die das Hubbard-Modell und das KLM effizient bei sehr tiefen Temperaturen löst. Diese Methode wird auf den Mott-Übergang im zweidimensionalen Hubbard-Modell angewendet. Im Gegensatz zu früheren Studien können wir einen Mott-Übergang bei endlichen Temperaturen und endlichen Wechselwirkungen klar ausschließen.rnrnAuf der Basis dieses exakten BSS-QMC Algorithmus, haben wir einen Störstellenlöser für die dynamische Molekularfeld Theorie (DMFT) sowie ihre Cluster Erweiterungen (CDMFT) entwickelt. Die DMFT ist die vorherrschende Theorie stark korrelierter Systeme, bei denen übliche Bandstrukturrechnungen versagen. Eine Hauptlimitation ist dabei die Verfügbarkeit effizienter Störstellenlöser für das intrinsische Quantenproblem. Der in dieser Arbeit entwickelte Algorithmus hat das gleiche überlegene Skalierungsverhalten mit der inversen Temperatur wie BSS-QMC. Wir untersuchen den Mott-Übergang im Rahmen der DMFT und analysieren den Einfluss von systematischen Fehlern auf diesen Übergang.rnrnEin weiteres prominentes Thema ist die Vernachlässigung von nicht-lokalen Wechselwirkungen in der DMFT. Hierzu kombinieren wir direkte BSS-QMC Gitterrechnungen mit CDMFT für das halb gefüllte zweidimensionale anisotrope Hubbard Modell, das dotierte Hubbard Modell und das KLM. Die Ergebnisse für die verschiedenen Modelle unterscheiden sich stark: während nicht-lokale Korrelationen eine wichtige Rolle im zweidimensionalen (anisotropen) Modell spielen, ist in der paramagnetischen Phase die Impulsabhängigkeit der Selbstenergie für stark dotierte Systeme und für das KLM deutlich schwächer. Eine bemerkenswerte Erkenntnis ist, dass die Selbstenergie sich durch die nicht-wechselwirkende Dispersion parametrisieren lässt. Die spezielle Struktur der Selbstenergie im Impulsraum kann sehr nützlich für die Klassifizierung von elektronischen Korrelationseffekten sein und öffnet den Weg für die Entwicklung neuer Schemata über die Grenzen der DMFT hinaus.
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In this work we study a model for the breast image reconstruction in Digital Tomosynthesis, that is a non-invasive and non-destructive method for the three-dimensional visualization of the inner structures of an object, in which the data acquisition includes measuring a limited number of low-dose two-dimensional projections of an object by moving a detector and an X-ray tube around the object within a limited angular range. The problem of reconstructing 3D images from the projections provided in the Digital Tomosynthesis is an ill-posed inverse problem, that leads to a minimization problem with an object function that contains a data fitting term and a regularization term. The contribution of this thesis is to use the techniques of the compressed sensing, in particular replacing the standard least squares problem of data fitting with the problem of minimizing the 1-norm of the residuals, and using as regularization term the Total Variation (TV). We tested two different algorithms: a new alternating minimization algorithm (ADM), and a version of the more standard scaled projected gradient algorithm (SGP) that involves the 1-norm. We perform some experiments and analyse the performance of the two methods comparing relative errors, iterations number, times and the qualities of the reconstructed images. In conclusion we noticed that the use of the 1-norm and the Total Variation are valid tools in the formulation of the minimization problem for the image reconstruction resulting from Digital Tomosynthesis and the new algorithm ADM has reached a relative error comparable to a version of the classic algorithm SGP and proved best in speed and in the early appearance of the structures representing the masses.
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Percutaneous nephrolithotomy (PCNL) for the treatment of renal stones and other related renal diseases has proved its efficacy and has stood the test of time compared with open surgical methods and extracorporal shock wave lithotripsy. However, access to the collecting system of the kidney is not easy because the available intra-operative image modalities only provide a two dimensional view of the surgical scenario. With this lack of visual information, several punctures are often necessary which, increases the risk of renal bleeding, splanchnic, vascular or pulmonary injury, or damage to the collecting system which sometimes makes the continuation of the procedure impossible. In order to address this problem, this paper proposes a workflow for introduction of a stereotactic needle guidance system for PCNL procedures. An analysis of the imposed clinical requirements, and a instrument guidance approach to provide the physician with a more intuitive planning and visual guidance to access the collecting system of the kidney are presented.
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Within the next few years, the medical industry will launch increasingly affordable three-dimensional (3D) vision systems for the operating room (OR). This study aimed to evaluate the effect of two-dimensional (2D) and 3D visualization on surgical skills and task performance.
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Spectrum sensing is currently one of the most challenging design problems in cognitive radio. A robust spectrum sensing technique is important in allowing implementation of a practical dynamic spectrum access in noisy and interference uncertain environments. In addition, it is desired to minimize the sensing time, while meeting the stringent cognitive radio application requirements. To cope with this challenge, cyclic spectrum sensing techniques have been proposed. However, such techniques require very high sampling rates in the wideband regime and thus are costly in hardware implementation and power consumption. In this thesis the concept of compressed sensing is applied to circumvent this problem by utilizing the sparsity of the two-dimensional cyclic spectrum. Compressive sampling is used to reduce the sampling rate and a recovery method is developed for re- constructing the sparse cyclic spectrum from the compressed samples. The reconstruction solution used, exploits the sparsity structure in the two-dimensional cyclic spectrum do-main which is different from conventional compressed sensing techniques for vector-form sparse signals. The entire wideband cyclic spectrum is reconstructed from sub-Nyquist-rate samples for simultaneous detection of multiple signal sources. After the cyclic spectrum recovery two methods are proposed to make spectral occupancy decisions from the recovered cyclic spectrum: a band-by-band multi-cycle detector which works for all modulation schemes, and a fast and simple thresholding method that works for Binary Phase Shift Keying (BPSK) signals only. In addition a method for recovering the power spectrum of stationary signals is developed as a special case. Simulation results demonstrate that the proposed spectrum sensing algorithms can significantly reduce sampling rate without sacrifcing performance. The robustness of the algorithms to the noise uncertainty of the wireless channel is also shown.
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To identify components of the copper homeostatic mechanism of Lactococcus lactis, we employed two-dimensional gel electrophoresis to detect changes in the proteome in response to copper. Three proteins upregulated by copper were identified: glyoxylase I (YaiA), a nitroreductase (YtjD), and lactate oxidase (LctO). The promoter regions of these genes feature cop boxes of consensus TACAnnTGTA, which are the binding site of CopY-type copper-responsive repressors. A genome-wide search for cop boxes revealed 28 such sequence motifs. They were tested by electrophoretic mobility shift assays for the interaction with purified CopR, the CopY-type repressor of L. lactis. Seven of the cop boxes interacted with CopR in a copper-sensitive manner. They were present in the promoter region of five genes, lctO, ytjD, copB, ydiD, and yahC; and two polycistronic operons, yahCD-yaiAB and copRZA. Induction of these genes by copper was confirmed by real-time quantitative PCR. The copRZA operon encodes the CopR repressor of the regulon; a copper chaperone, CopZ; and a putative copper ATPase, CopA. When expressed in Escherichia coli, the copRZA operon conferred copper resistance, suggesting that it functions in copper export from the cytoplasm. Other member genes of the CopR regulon may similarly be involved in copper metabolism.
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OBJECTIVE: The standard technique of two-dimensional intra-arterial digital subtraction angiography (2D-DSA) for the imaging of experimental rabbit aneurysms is invasive and has considerable surgical risks. Therefore, minimally invasive techniques ideally providing three-dimensional imaging for intervention planning and follow-up are needed. This study evaluates the feasibility and quality of three-dimensional 3-T magnetic resonance angiography (3D-3T-MRA) and compares 3D-3T-MRA with 2D-DSA in experimental aneurysms in the rabbit. METHOD: Three microsurgically created aneurysms in three rabbits were evaluated using 2D-DSA and 3D-3T-MRA. Imaging of the aneurysms was performed 2 weeks after creation using 2D-DSA and contrast-enhanced (CE) MRA. Measurements included aneurysm dome (length and width) and aneurysm neck. Aneurysm volumes were determined using CE-MRA. RESULTS: The measurements of the aneurysms' dimensions and the evaluation of vicinity vessels with both techniques showed a good correlation. The mean aneurysm length, aneurysm width and neck width measured with DSA (6.9, 4.1 and 2.8 mm, respectively) correlated with the measurements performed in 3D-3T-MRA (6.9, 4 and 2.5 mm, respectively). The mean aneurysm volumes measured with CE-MRA was 46.7 mm(3). CONCLUSION: 3D-3T CE-MRA is feasible and less invasive and is a safer imaging alternative to DSA for experimental aneurysm. Additionally, aneurysm technique this precise offers the possibility of repetitive 3D aneurysm volumetry for long-term follow-up studies after endovascular aneurysm occlusion.
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We consider a large quantum system with spins 12 whose dynamics is driven entirely by measurements of the total spin of spin pairs. This gives rise to a dissipative coupling to the environment. When one averages over the measurement results, the corresponding real-time path integral does not suffer from a sign problem. Using an efficient cluster algorithm, we study the real-time evolution from an initial antiferromagnetic state of the two-dimensional Heisenberg model, which is driven to a disordered phase, not by a Hamiltonian, but by sporadic measurements or by continuous Lindblad evolution.
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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.
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We present experimental results on inclusive spectra and mean multiplicities of negatively charged pions produced in inelastic p+p interactions at incident projectile momenta of 20, 31, 40, 80 and 158GeV/c (√s = 6.3, 7.7,8.8, 12.3 and 17.3GeV, respectively). The measurements were performed using the large acceptance NA61/SHINE hadron spectrometer at the CERN super proton synchrotron. Two-dimensional spectra are determined in terms of rapidity and transverse momentum. Their properties such as the width of rapidity distributions and the inverse slope parameter of transverse mass spectra are extracted and their collision energy dependences are presented. The results on inelastic p+p interactions are compared with the corresponding data on central Pb+Pb collisions measured by the NA49 experiment at the CERNSPS. The results presented in this paper are part of the NA61/SHINE ion program devoted to the study of the properties of the onset of deconfinement and search for the critical point of strongly interacting matter. They are required for interpretation of results on nucleus–nucleus and proton–nucleus collisions.
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Pelvic osteotomies improve containment of the femoral head in cases of developmental dysplasia of the hip or in femoroacetabular impingement due to acetabular retroversion. In the evolution of osteotomies, the Ganz Periacetabular Osteotomy (PAO) is among the complex reorientation osteotomies and allows for complete mobilization of the acetabulum without compromising the integrity of the pelvic ring. For the complex reorientation osteotomies, preoperative planning of the required acetabular correction is an important step, due to the need to comprehend the three-dimensional (3D) relationship between acetabulum and femur. Traditionally, planning was performed using conventional radiographs in different projections, reducing the 3D problem to a two-dimensional one. Known disturbance variables, mainly tilt and rotation of the pelvis make assessment by these means approximate at the most. The advent of modern enhanced computation skills and new imaging techniques gave room for more sophisticated means of preoperative planning. Apart from analysis of acetabular geometry on conventional x-rays by sophisticated software applications, more accurate assessment of coverage and congruency and thus amount of correction necessary can be performed on multiplanar CT images. With further evolution of computer-assisted orthopaedic surgery, especially the ability to generate 3D models from the CT data, examiners were enabled to simulate the in vivo situation in a virtual in vitro setting. Based on this ability, different techniques have been described. They basically all employ virtual definition of an acetabular fragment. Subsequently reorientation can be simulated using either 3D calculation of standard parameters of femoroacetabular morphology, or joint contact pressures, or a combination of both. Other techniques employ patient specific implants, templates or cutting guides to achieve the goal of safe periacetabular osteotomies. This chapter will give an overview of the available techniques for planning of periacetabular osteotomy.
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The accurate electron density distribution and magnetic properties of two metal-organic polymeric magnets, the quasi-one-dimensional (1D) Cu(pyz)(NO3)2 and the quasi-two-dimensional (2D) [Cu(pyz)2(NO3)]NO3·H2O, have been investigated by high-resolution single-crystal X-ray diffraction and density functional theory calculations on the whole periodic systems and on selected fragments. Topological analyses, based on quantum theory of atoms in molecules, enabled the characterization of possible magnetic exchange pathways and the establishment of relationships between the electron (charge and spin) densities and the exchange-coupling constants. In both compounds, the experimentally observed antiferromagnetic coupling can be quantitatively explained by the Cu-Cu superexchange pathway mediated by the pyrazine bridging ligands, via a σ-type interaction. From topological analyses of experimental charge-density data, we show for the first time that the pyrazine tilt angle does not play a role in determining the strength of the magnetic interaction. Taken in combination with molecular orbital analysis and spin density calculations, we find a synergistic relationship between spin delocalization and spin polarization mechanisms and that both determine the bulk magnetic behavior of these Cu(II)-pyz coordination polymers.
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BACKGROUND The process of neurite outgrowth is the initial step in producing the neuronal processes that wire the brain. Current models about neurite outgrowth have been derived from classic two-dimensional (2D) cell culture systems, which do not recapitulate the topographical cues that are present in the extracellular matrix (ECM) in vivo. Here, we explore how ECM nanotopography influences neurite outgrowth. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS We show that, when the ECM protein laminin is presented on a line pattern with nanometric size features, it leads to orientation of neurite outgrowth along the line pattern. This is also coupled with a robust increase in neurite length. The sensing mechanism that allows neurite orientation occurs through a highly stereotypical growth cone behavior involving two filopodia populations. Non-aligned filopodia on the distal part of the growth cone scan the pattern in a lateral back and forth motion and are highly unstable. Filopodia at the growth cone tip align with the line substrate, are stabilized by an F-actin rich cytoskeleton and enable steady neurite extension. This stabilization event most likely occurs by integration of signals emanating from non-aligned and aligned filopodia which sense different extent of adhesion surface on the line pattern. In contrast, on the 2D substrate only unstable filopodia are observed at the growth cone, leading to frequent neurite collapse events and less efficient outgrowth. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE We propose that a constant crosstalk between both filopodia populations allows stochastic sensing of nanotopographical ECM cues, leading to oriented and steady neurite outgrowth. Our work provides insight in how neuronal growth cones can sense geometric ECM cues. This has not been accessible previously using routine 2D culture systems.