3D Visualisierung transkranieller Magnetfeldstimulation

Abstract

Im Zuge der Diplomarbeit wurde die Software Magnetic Brain Stimulation Model (MBSM) entwickelt, an welche die zwei folgenden Hauptanforderungen bestehen: Es soll eine interaktive 3D Visualisierung entstehen, welche der Audienz die Abläufe einer Therapie mittels transkranieller Magnetfeldstimulation begreifbar machen soll.<br />Die Visualisierung enthält ein anatomisch detailliertes Modell eines menschlichen Kopfes sowie die für die Therapie platzierten Magnetfeldspulen und die von ihnen erzeugten Felder. Im Endeffekt soll es möglich sein alle Teile der Therapie (Kopf, Hirnregionen, Feldkomponenten, Spulen) auf an den Benutzer angepasste Art und Weise darzustellen. Weiters kann ein entsprechend geschulter Benutzer die Parameter der Therapie konfigurieren.<br />Die zweite Anforderung beschäftigt sich mit dem Problem die vorhandenen Ressourcen möglichst effizient zu nutzen. Ausgehend von real vermessenen Magnetspulen werden die von ihnen erzeugten Feldkomponenten in Interaktion mit dem verwendeten Kopfmodell numerisch simuliert. Das Ergebnis sind Datenmatrizen der Feldverteilungen einzelner Magnetfeldspulen.<br />Durch die Kombination der Simulationen isolierter Spulen per linearer Superposition wird das volle Pensum der vorhandenen Daten ausgenutzt. Es können aus den existierenden Daten durch Kombination neue Feldverteilungen abgeleitet werden, ohne die zeitaufwendige numerische Simulation erneut starten zu müssen.<br />Die wurde Software mit C++, VTK, QT, boost, Visual Studio, GIT und CMAKE entwickelt.<br />Die Software besteht aus zwei Bibliotheken (Toolbox - Arithmetik, Geometrie; TMSTools - 3D Modelle, Datenverarbeitung) sowie der Applikation MBSM.<br />Mit den gewählten Technologien gelang es ein User Interface zu entwickeln, das die gestellten Anforderungen erfüllen kann. Der Prozess der Therapie kann vom User konfiguriert werden und wird von der Spule bis zur Stimulation im Gehirn anschaulich visualisiert.<br />

The Magnetic Brain Stimulation Model software, developed in the process of this thesis, needed to meet two principal requirements:<br />Firstly, a viewable 3D-Visualization had to be created, which would render the progress of a therapy using transcranial magnetic stimulation understandable to the audience.<br />The visualized scene contains a detailed anatomical model of a human head, as well as the magnetic coils used for therapy and the fields produced by the coils.<br />Ultimately, it should be possible to present all parts of the stimulation (head, anatomic areas of the brain, field components, coils) in a way that is tailored to the user. Furthermore, an accordingly trained user should be able to configure the parameters for the therapy.<br />The second requirement dealt with the problem of using available resources as efficiently as possible.<br />Based on the data obtained from a measurement of magnetic coils, a numerical simulation was carried out simulating the field components in interaction with the used head model. The results are data matrixes representing the field distribution of individual magnetic coils.<br />Combining the fields via linear superposition, the full capacity of the available data is utilized. Thereby new combinations can be derived from existing data, without having to restart the time-consuming simulation. Following literature research and a technical evaluation, the software was developed using C++, VTK, QT, boost, Visual Studio, GIT and CMAKE.<br />The software consists of two libraries (Toolbox - Arithmetic, Geometry; TMSTools - 3D Modeling, Data Treatment) as well as of the Magnetic Brain Stimulation Model application.<br />Using the above-mentioned technologies we managed to develop a user interface to fulfill the existing requirements. The therapy process can be modified by the user and is illustrated as a whole ranging from the coil current to stimulation in the human brain.