NIC-Serie Band 18:   Haptisches Rendern zum Einpassen von hochaufgelösten Molekülstrukturdaten in niedrigaufgelöste Elektronenmikroskopie-Dichteverteilungen Stefan Birmanns   ISBN 3-00-010004-0 September 2003, 178 Seiten   PDF

Das Forschungsgebiet der strukturellen Biologie hat in den letzten Jahren große Erfolge in der Strukturermittlung von immer größeren biologischen Einheiten erzielen können. Mittlerweile sind auch große Makromoleküle, sogenannte zelluläre Maschinen, in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Um ihre Arbeitsweise verstehen zu können, müssen Fragen nach strukturellen und funktionalen Zusammenhängen auf atomarer Ebene beantwortet werden.

Verschiedene Strukturermittlungs-Techniken wurden in den letzten Jahren entwickelt, um solche Mehrkomponenten-Moleküle untersuchen zu können. Besonders erfolgreiche Techniken in der Elektronenmikroskopie, die wesentliche Arbeitsschritte der Moleküle aufnehmen können, sind jedoch in der Auflösung stark begrenzt. Da sich eine zelluläre Maschine aus meist bekannten Teilkomponenten zusammensetzt, kann ein Gesamtmodell auch durch die Kombination von verschieden aufgelösten Abbildungen zusammengesetzt werden. Dieses Verfahren hat sich zu einem wichtigen Werkzeug in der strukturellen Biologie entwickelt. Sowohl interaktive als auch algorithmische Methoden haben sich etabliert.

Diese Dissertationsschrift schlägt eine neue interaktive Methode zur Kombination von verschieden aufgelösten Daten vor. Der Benutzer bewegt interaktiv eine hochaufgelöste Teilkomponente in die niedrigaufgelöste Dichteverteilung, wobei er von haptischem Rendern, also einem künstlich hervorgerufenen taktilen Sinneseindruck, unterstützt wird. In dieser Methode wird die Hand des Anwenders durch das haptische Rendern in die Richtung einer besseren Abbildungsposition gezogen, dabei bildet die physikalisch basierte Modellierung eines Kraftfeldes die Grundlage der Berechnung. Erprobte Bewertungsfunktionen, die auch von algorithmischen Programmen eingesetzt werden, entsprechen der Potentialfunktion des Feldes. Da der Einsatz von haptischem Rendern eine hohe Kraftaktualisierungsfrequenz von zirka 1000 Hz erfordert, wird die Methode der Vektorquantisierung zur Reduktion der Komplexität der Berechnungen eingesetzt. Durch die Vektorquantisierung können Datensätze auf wenige Merkmalsvektoren reduziert werden, wobei in dieser Arbeit sogenannte topologieerhaltende neuronale Netzwerke verwendet werden. Durch einen iterativen Prozess wird ein künstliches neuronales Netzwerk so trainiert, dass die Gewichtsvektoren der Neuronen ein Signal möglichst gut beschreiben.

Im Gegensatz zu existierenden interaktiven Ansätzen wird der Benutzer darüber hinausgehend durch Virtual-Reality-Techniken unterstützt. Gerade die Orientierung im virtuellen Raum, die für das Zusammensetzen der dreidimensionalen Strukturen notwendig ist, kann so erleichtert werden.

Diese Methode wurde zum Nachweis der Praxistauglichkeit in Form des Programmes "SenSitus" implementiert. Es unterstützt Shared-Memory-Parallelrechnersysteme, um sowohl die Kraftberechnung für das haptische Rendern als auch die graphische Darstellung zu beschleunigen. Letztere kann sowohl auf Standard-Workstations (diverse Unix-Derivate, PCs unter Linux und Windows) als auch Virtual-Reality-Systemen mit Mehrseitenprojektion ausgegeben werden. Das Programm wurde an verschiedenen Anwendungsbeispielen getestet, und die Geschwindigkeit und Präzision des haptischen Renderns wurde systematisch untersucht.