Volume visualization of calculated bioelectric fields

Abstract

Visualisointi on hyvin käytännöllinen työkalu nykyisessä informaationtäyteisessä yhteiskunnassa. Sitä voidaan soveltaa monilla aloilla valottamaan hankalasti ymmärrettäviä tietomääriä. Tässä diplomityössä tarkastellaan ja täydennetään biosähköisten kenttien visualisointiprosessia, joka alkaa potilaan magneettiresonanssikuvauksesta. Harmaasävykuvat segmentoidaan ja potilaan kehosta rakennetaan tietokonemalli. Biosähköiset kentät ratkaistaan mallista Noname Bioelectric Field Software:lla (NBFS), joka käyttää finiitti differenssi menetelmää (FDM). FDM antaa sähköiset potentiaalit volyymin jokaisessa pisteessä. Näistä potentiaaleista voidaan laskea virta- ja gradienttipotentiaalivektorit, joita yhdessä mallin anatomian kanssa visualisoidaan Elmer Post:ssa.

Kaksi eri ohjelmaa ovat harvoin yhteensopivia, joten NBFS:n ja Elmer Post:n välille piti suunnitella muuntaja. Korkeatasoista Pythonohjelmointikieltä käytettiin Cone-tiedostomuunto-ohjelman kehittämiseen. Cone toimii juontotiedostona Python-tulkille. Cone lukee syötetiedoston, kysyy käyttäjältä täsmennyksiä tulostetiedostosta, rakentaa elementtejä pinta- ja volyymivisualisointia varten, ja lopulta kirjoittaa tulostetiedoston, joka voidaan välittömästi avata Elmer Post:ssa. Pinnanmuodostus on toimivaa esitettyjen tulosten perusteella. Kenttämuuttujien visualisointi auttaa tutkijoita tekemään päätelmiä simuloiduista biosähköisistä kentistä.

Visualization is a very useful tool in our modern information-laden society. It can be applied in various fields to bring light into masses of otherwise incomprehensible data. In this Master of Science thesis the visualization process of bioelectrical fields is examined and improved. The process starts by acquiring magnetic resonance images (MRI) of patients. The gray-scale images are segmented and a computer model is formed of the patient’s body. The bioelectric fields are solved from the model using finite different method (FDM) applied in Noname Bioelectric Field Software (NBFS). FDM gives electric potentials in all points of the volume. From these potentials current vectors and potential gradients can be calculated. These quantities and the model anatomy are visualized using Elmer Post.

Two different programs are rarely compatible, thus there was a need for a converter between NBFS and Elmer Post. A file conversion program was developed using a high-level Python programming language. The Converter from NBFS to Elmer (Cone) operates as a Python script file. Cone reads an input file, queries specifications about the output file from the user, forms elements for surface and volume visualization, and finally writes an output file, which can be directly opened in Elmer Post. The visualized results showed functional surface creation and field variable presentation, enabling researchers to make deductions about the simulated bioelectric field phenomena. /Kir11