Mathematik - Christoph Brune, Westfälische Wilhelms-Universität Münster

Titel der Dissertation: 4D Bildrekonstruktion und Bildverarbeitung in der Tomographie und
optischen Nanoskopie

Leben ist immer in Bewegung
Christoph Brune, geboren 1982, spezialisierte sich schon in seinem Studium der Mathematik und Informatik an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster im Bereich der mathematischen Bildverarbeitung. Derzeit beschäftigt er sich in seiner Promotion am Institut für Numerische und Angewandte Mathematik der Universität Münster mit der 4D Rekonstruktion von Bildsequenzen der hochauflösenden Lichtmikroskopie sowie der Tomographie in der medizinischen Diagnostik.

In seiner Diplomarbeit hat Herr Brune den optischen Fluss in Videos studiert. Im Wesentlichen besteht die mathematische Bildverarbeitungsaufgabe darin, Bewegung von Objekten anhand von Helligkeitsunterschieden in einer Bildsequenz zu berechnen. Systeme, die „maschinell sehen“ können, kommen in vielen industriellen und wirtschaftlichen Prozessen zum Einsatz, z.B. in der Robotik, Qualitätssicherung oder Verkehrstechnik. In der Fluoreszenzmikroskopie wurden in den letzten Jahren, z.B. mit der Erfindung des STED-Mikroskops, revolutionäre neue Verfahren entwickelt, die eine Betrachtung lebender biologischer Zellen im Nanometerbereich ermöglichen. Durch Erreichen der Beugungsgrenze des Lichtes erhält man bei Messungen mit einem hochauflösenden Lichtmikroskop allerdings unerwünscht verzerrte Bilder. Zudem besitzen Aufnahmen aufgrund von Laserabtastungen zufällige punktweise Störungen, sodass Bilder zusätzlich granular erscheinen. Ein
wesentlicher Bestandteil der Promotion von Herrn Brune ist deshalb zunächst eine mathematisch präzise Rekonstruktion von 3D Bildern, um quantitative Aussagen über biologische Zellen bzw. die Tumorerkennung in der Medizin zu verbessern. Dabei kommen kantenerhaltende Glättungstechniken, die mit Rekonstruktionsprozessen gekoppelt werden, zum Einsatz.

In der Bildrekonstruktion treten sowohl in der Nanoskopie als auch in der medizinischen Bildgebung bei Videoaufnahmen unerwünschte Effekte auf. Zum Beispiel können unter einem Nanoskop einzelne Proteine aus dem Sichtbereich wandern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder eintreten. Bei der medizinischen Bildgebung treten vergleichbare Effekte durch natürliche Bewegungen von Patienten auf (Brustkorb, Herzschlag).

Das Ziel der Promotion von Herrn Brune ist deshalb die 4D Rekonstruktion (3D Ort + 1D Zeit) durch integrierte Bewegungskorrektur zu verbessern. Die von ihm entwickelten Modelle und Verfahren können für beide Anwendungsgebiete gleichermaßen eingesetzt werden. Die 4DRekonstruktion stellt ein zukunftsweisendes Arbeitsgebiet dar, da es die Qualität der medizinischen Diagnostik und das Verständnis biophysikalischer Prozesse im Nanometerbereich deutlich verbessern kann.