Der GMD-Spiegel - Media|Arts|Research|Studies

Informationen 

aus der 

wissenschaftlichen 

Arbeit der 

GMD – 

Forschungszentrum 

Informationstechnik 

GmbH 

Der GMD-Spiegel 

Juni/September 1996 · 2/3-1996 


in Medizin, Biologie 

und Chemie

Titel 

Nahezu alle biochemischen 

Prozesse in Organismen 

basieren auf 

dem Prinzip der Anlagerung 

zueinander komplementärer 

Moleküle, 

dem molekularen 

Docking. Funktionen, 

die sich dieses Prinzip 

zunutze machen, reichen 

von der Weiterleitung 

von Informationen 

über die Katalyse nahezu 

aller wichtigen Stoffwechselprozesse 

bis hin 

zur Steuerung der Umsetzung 

genetischer Information.Pharmazeutische 

Wirkstoffe basieren 

in vielen Fällen auf 

einem regulatorischen 

Eingriff in die komplexenStoffwechselprozesse 

im menschlichen 

Organismus. Dazu 

werden Moleküle entwickelt, 

die sehr gut an 

speziellen, am Stoffwechselprozeßbeteiligten 

Proteinen binden. 

Ziel der Aktivitäten ist 

die Entwicklung effizienter 

Algorithmen und 

Datenstrukturen zur 

Vorhersage von Wechselwirkungen 

zwischen 

Rezeptoren und potentiellen 

Wirkstoffen 

mit dem Computer. „Informationstechnik 

in 

Medizin, Biologie und 

Chemie“ – mit diesem 

Schwerpunktthema gibt 

der GMD-SPIEGEL einen 

Überblick über aktuelle 

Forschungsarbeiten der 

GMD-Institute. 

G M D 

DER GMD-SPIEGEL 

Informationen aus 

der wissenschaftlichen 

Arbeit der GMD – 



GmbH 

ISSN 0724-4339 

Schloß Birlinghoven 

53754 Sankt Augustin 

Telefon: (0 22 41) 14-0 

Erscheint vierteljährlich 

26. Jahrgang 

Herausgeber: 

GMD – ForschungszentrumInformationstechnik 

GmbH 

Redaktion: 

Dr. Siegfried Münch 

Die GMD ist Mitglied der 

Hermann von Helmholtz- 

Gemeinschaft Deutscher 

Forschungszentren 

(HGF). 

Hinweis gemäß Bundesdatenschutzgesetz: 

Die Postbezieher des 

GMD-SPIEGELS sind 

in einer Adreßdatei 

gespeichert, die mit 

Hilfe der automatisierten 

Datenverarbeitung 

geführt wird. 

Grafische Gestaltung: 

Kuhn, Kammann & Kuhn 

GmbH, Köln 

Fotos und 

Illustrationen: 

Gunnar Collier, Köln; 

Michael Ponciaono, 

Sankt Augustin; 

Kunibert Söntgerath, 

Sankt Augustin. 

Satz: Zerres-Satz GmbH, 

Leverkusen 

Druck: Paul Zimnoch + 

Söhne GmbH, 

Alfter-Impekoven 

Gedruckt auf Recyclingpapier, 

chlorfrei aufbereitet. 

Nachdruck nur mit 

vollständiger Quellenangabe 

und nach 

vorheriger Abstimmung 

mit der GMD; 

Belege erbeten. 

2 Der GMD-Spiegel 2/3 – 1996

Spezialdisziplinen 

der Informatik 

Methoden der Informatik und der 

Mathematik durchdringen immer 

mehr auch Disziplinen, für die traditionell 

eine eher experimentelle Arbeitsweise 

kennzeichnend ist. Biologie, 

Chemie und Medizin sind dafür 

Beispiele, die wir für dieses Heft, wie 

auch für den GMD-Schloßtag 1996, zu 

dem es erscheint, als Themenschwerpunkt 

ausgewählt haben. 

Es bilden sich in diesen und anderen 

Bereichen Spezialdisziplinen der Informatik 

aus, die häufig als Bindestrichinformatiken 

bezeichnet werden. 

Dabei geht es nicht nur um eine 

informatische oder informationstechnische 

Unterstützung. Die Informatik 

wie auch die angewandte Mathematik 

bringen eine eigene Methodik und 

Denkweise ein, die es erlauben, aufgrund 

von Abstraktion, Modellierung 

und Simulation der realen Vorgänge 

Komplexität zu beherrschen. Im Ergebnis 

kann dies zu substantiellen Erkenntnisgewinnen 

in den Anwendungsbereichen 

führen, insbesondere 

da, wo Experimente zu umfangreich, 

zu teuer oder einfach nicht möglich 

sind. 

Ein Beispiel ist die Bioinformatik, die 

Kombination von Informationstechnik 

und moderner Biotechnologie. 

Die Verfügbarkeit umfangreicher Genomdaten 

wird nach Einschätzung der 

Experten die Biotechnologie revolutionieren, 

aber die immense Datenflut 

verlangt nach neuen informationstechnischen 

Konzepten. Schon heute 

besteht auch ein starkes industrielles 

Interesse an dieser interdisziplinären 

Kombination. Drug Design ist das 

Stichwort, der Entwurf neuer Medikamente 

im Computer das visionäre 

Ziel. Gefragt sind effiziente Simulationsalgorithmen, 

statistische Verfahren 

zur Datenanalyse, Datenhaltungsund 

Prüfmethoden und grafische Methoden 

zur Visualisierung der Daten. 

Die Arbeiten über das Protein-Ligand- 

Docking, über die wir schon in der 

letzten Ausgabe des GMD-Spiegels 

berichtet haben und die auch hier wieder 

mit aktuellen Ergebnissen vertre- 

E D I T O R I A L 

ten sind, sind Beispiel für ein erfolgreiches 

Zusammenwirken von Chemikern, 

Biologen und Informatikern. Sie 

werden im Rahmen der Förderinitiative 

„Molekulare Bioinformatik“ des 

Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, 

Forschung und Technologie 

durchgeführt, die entscheidend dazu 

beigetragen hat, die Bioinformatik als 

interdisziplinäres Gebiet national zu 

etablieren und international zu profilieren. 

Informatikmethoden und Algorithmen, 

wie sie für Anwendungen in der 

biochemisch orientierten Molekularbiologie 

entwickelt werden, bieten 

aber noch weitere Anwendungsfelder. 

Sie lassen sich sehr ähnlich in der molekularen 

Analyse von kristallinen 

oder auch amorphen Materialien einsetzen, 

was zum Beispiel bei der Erforschung 

neuer Werkstoffe wie Keramiken, 

Gläser oder magnetischen 

Materialien von Bedeutung ist. 

In der Medizin, in Forschung und 

Praxis, ist Informationstechnik heute 

schon nicht mehr wegzudenken. Die 

elektronische Patientenkarte, auch 

wenn sie noch nicht viele Daten trägt, 

ist ein für jeden sichtbares Zeichen. 

Auch moderne Diagnosegeräte nutzen 

heute schon systematisch Computertechnik 

und informatische Methoden. 

Ein wichtiges Anwendungsfeld 

sind bildgebende Verfahren, zum 

Beispiel in der Computertomographie 

oder in der Ultraschalldiagnostik, die 

helfen, das Unanschauliche anschaulich 

zu machen. Grafische und animationstechnische 

Verfahren unterstützen 

den Arzt bei der Bewertung der 

umfangreichen Bildinformationen. Sie 

heben die für eine Diagnose relevanten 

Details heraus, visualisieren sie 

und reichern sie mit multimedialen 

Unterstützungen an, ohne natürlich 

die Originaldaten unzulässig zu verfälschen. 

Solche Methoden sind für die 

Praxis wichtig, aber ebenso für die 

Aus- und Fortbildung von Medizinern. 

In der „Telemedizin“ verhilft die Informationstechnik 

im Verbund mit 

der Kommunikationstechnik dazu, 

den Austausch und die Zusammenarbeit 

unter Medizinern zu verbessern. 

Kommunikation und Kooperation in 

Prof. Dr. Dennis Tsichritzis 

verteilten Systemen unter Beachtung 

der in diesem Bereich besonderen 

Sicherheitsanforderungen möglich zu 

machen, ist die Aufgabe, die Informationstechnik 

hier leisten muß. Mit 

ihren Arbeiten über computerunterstützte 

Gruppenarbeit, über Sicherheitskonzepte 

in offenen Netzen oder 

über intelligente Chipkarten verfügt 

die GMD auch in diesem zukunftsträchtigen 

Gebiet über Erfahrung und 

Know-how. 

Anwendungen der Informationstechnik 

in Biologie, Chemie oder Medizin 

wären nicht möglich ohne eine enge 

Zusammenarbeit mit Biologen, Chemikern 

und Medizinern. Interdisziplinarität 

ist hier nicht Lippenbekenntnis, 

sondern ein Muß. Daß dabei 

immer wieder Barrieren in der Arbeitsweise, 

in der Terminologie, im 

Denken zu überwinden sind und daß 

dies im Einzelfall auch schwierig ist, 

muß konstatiert werden. An den 

Grenzen zwischen den Disziplinen besteht 

aber am ehesten die Chance zu 

echter Innovation. Wir sind dankbar, 

in unseren Projekten Partner zu haben, 

die sich mit uns auf den mühsamen, 

aber vielversprechenden interdisziplinären 

Weg gemacht haben. 

Dennis Tsichritzis 

Der GMD-Spiegel 2/3 – 1996 3

I N H A L T 

Modellierung von Proteinstrukturen 

Die Berechnung der dreidimensionalen Struktur von Proteinen aus 

der Kenntnis der Proteinsequenz und weiterer aus Experimenten 

gewonnener Informationen ist eine der zentralen Herausforderungen 

der Molekularen Bioinformatik. Das für die Entwicklung 

von biologischen Wirkstoffen, aber auch für den wissenschaftlichen 

Fortschritt in Medizin und Biochemie wesentliche Verständnis 

der Funktion der entsprechenden Proteine kann nur auf der 

Basis der Kenntnis ihrer räumlichen Struktur gewonnen werden. 

Seite 14 

Berechnung von molekularen Strukturen 

Ein Schlüssel für die Eigenschaften vieler Materialien und Wirkstoffe 

liegt in ihrer molekularen Struktur. Die Kenntnis der Molekülstruktur 

ist ein wichtiges Element bei der Entschlüsselung 

der Eigenschaften von Werk- und Wirkstoffen, sie unterstützt die 

zielgerichtete Suche nach neuartigen Substanzen. 

Seite 18 

SCENE – Bilder in der Medizin 

Bilder aus dem menschlichen Körper spielen eine immer größere 

Rolle in der Medizin. Seit der Erfindung der Röntgenstrahlen fasziniert 

die Idee, in den Menschen hineinblicken zu können. Der 

Projektbereich SCENE des GMD-Instituts für Angewandte Informationstechnik 

entwickelt Ansätze, wie die Informationstechnik 

den Mediziner unterstützen kann. Eine Schlüsseltechnik dafür 

nennt sich erweiterte Realität, die Integration zwischen dem technischen 

Abbild der Wirklichkeit und einer korrespondierenden 

Modellvorstellung. 

Seite 22 

CardiAssist: Unterstützung der kardiologischen Diagnose 

Telekonsultation ermöglicht Ärzten, eine Diagnose mit einem 

räumlich entfernten Kollegen zu besprechen, ohne den Patienten 

zu einer erneuten Untersuchung dorthin zu schicken. Das im Telematik-Programm 

der Europäischen Union geförderte Projekt 

CardiAssist hat die Entwicklung eines Telekonsultationsverfahrens 

für die Kardiologie zum Ziel. 

Seite 25 

Trainingsumgebungen in der Echokardiographie 

Das Problemfeld „medizinische Ausbildung“ ist geprägt durch die 

Diskrepanz einer theoretisch vorklinischen und einer praxisorientiert 

klinischen Ausbildungsphase. Die Lerninhalte sind im Sinne 

des Aufbaus reflektierter Erfahrungen nahezu unverbunden. Die 

Informatik kann hier einen spezifischen Beitrag zur Verbesserung 

der Situation leisten. Veranschaulichungstechniken, wie interaktive 

Multimedia und Virtuelle Realität, sind geeignet, theoretische 

und praktische Elemente medizinischer Expertise fallbezogen erfahrbar 

zu machen. 

Seite 31 

Multimediale Tutorsysteme in Medizin und Pharmakologie 

Im Auftrag der Hoechst Marion Roussel Pharma AG entwickelte 

die GMD-Spin-Off-Firma ENTEC in Zusammenarbeit mit dem 

GMD-Institut für Angewandte Informationstechnik ein multimediales 

3D-Enabling-System zur Vermittlung komplexer medizinischer 

und pharmakologischer Zusammenhänge im Herz-Kreislauf-System. 

Seite 34 


Editorial 

Nachrichten 

Titel 

Modellierung von 

Proteinstrukturen 14 

Berechnung von kristallinen 

und amorphen molekularen 

Strukturen 18 

SCENE – Bilder in der Medizin 22 

CardiAssist: Unterstützung 

der kardiologischen Diagnose 

und Telekommunikation 

durch Enablingsysteme und 

3D Ultraschall 25 

Szenische Enablingsysteme – 

Trainingsumgebungen in 

der Echokardiographie 31 

Multimediale Tutorsysteme mit 

3D-Grafik und Animation in 

Medizin und Pharmakologie 34 

Neue Wege zur Unterstützung von 

Diagnoseprozessen durch den 

Einsatz multimedialer Techniken 37 

Der Behandlungsraum 

der Zukunft 40 

Virtual Eye – 

Simulation physiologischer Optik 

im menschlichen Auge 44 

Adaptive Systemgestaltung für 

behinderte Computerbenutzer 

mit Spezialanforderungen 48 

Ozonvorhersage als 

Fernsehpräsentation 50 

Szenariorechnungen mit einem 

parallelisierten Programm 51 

Forschung 

CaTS – Bildbasierte Kameraführung 

im Virtuellen Studio 54 

Sicherheit in Multimedia 

Electronic Mail 57 

Personalien 

3 

6 

61 

I N H A L T 

Neue Wege zur Unterstützung von Diagnoseprozessen 

Unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten von Multimedia-Technologien 

in der medizinischen Diagnostik und in Diagnose-Lernsystemen 

wurden in den GMD-Projekten Cyto und Alois erarbeitet. 

Gemeinsam ist beiden Projekten die interdisziplinäre Anwendung 

kognitionspsychologischer Erkenntnisse auf medizinische Problemstellungen. 

Seite 37 

Der Behandlungsraum der Zukunft 

Informations- und Kommunikationstechniken werden in den kommenden 

Jahren auch in der Medizin deutliche Veränderungen hervorrufen. 

Im Gegensatz zur bisherigen Entwicklung betrifft das 

nicht nur die sogenannte Hochleistungsmedizin, sondern immer 

mehr jede Patientenbehandlung. Die Herausforderung in dieser 

Situation besteht darin, die Technologie nicht in den Mittelpunkt zu 

rücken, sondern dem Nutzen von Patienten und Ärzten unterzuordnen. 

Das Konzept eines Befähigungssystems wird dazu beitragen, 

den Mediziner bei einer Reihe von Tätigkeiten zu unterstützen. 

Seite 40 

Virtual Eye – Simulation physiologischer Optik 

Die Visualisierung der optischen Vorgänge im menschlichen Auge 

wird durch ein neues Verfahren möglich, das vom GMD-Institut 

für Medienkommunikation gemeinsam mit dem Laserforum Köln 

GmbH entwickelt wurde. Modelle aus der physikalischen Optik in 

Verbindung mit Verfahren und Algorithmen aus der Computergrafik 

werden für die Rekonstruktion eines Augenmodells benutzt. 

Seite 44 

Adaptive Systemgestaltung für behinderte Computerbenutzer 

Eine wichtige Zielgruppe von Computerbenutzern mit Spezialanforderungen 

sind ältere und behinderte Menschen. Für diese Bevölkerungsgruppe 

eröffnet die Anpaßbarkeit computergestützter 

Der Louvre 

Informations- und Kommunikationssysteme vielfältige Möglich- 

keiten für ein selbstbestimmtes Leben. 

Seite 48 

Ozonvorhersage als Fernsehpräsentation 

Im Rahmen der Vorbereitung einer Ozonvorhersage für einen 

Berliner Lokalsender zeigt ein Videofilm die Ozonverteilung über 

der Stadt und dem Umland für den nächsten Tag. Die Berechnung 

und eine Aussage über die zu erwartenden Ozonkonzentrationen 

ermöglicht das im GMD-Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik 

erarbeitete Projekt DYMOS (Dynamische Modelle 

für die Smoganalyse). 

Seite 50 

Szenariorechnungen mit einem parallelisierten Programm 

Das EMEP-Modell (European Monitoring and Evaluation Programme) 

des Norwegischen Meteorologischen Instituts in Oslo 

zur Berechnung der grenzüberschreitenden Schadstoffbelastung 

in Europa wurde im Rahmen des DYMOS-Projekts (Dynamische 

Modelle für die Smoganalyse) im GMD-Institut für Rechnerarchitektur 

und Softwaretechnik in Berlin parallelisiert. Dadurch 

wurde es möglich, umfangreiche Szenariorechnungen für die Entwicklung 

eines Integrated Assessment Model’s für Ozon im International 

Institute for Applied Systems Analysis in Laxenburg bei 


GMD und New 

York University 

weihen neue 

Infobahn ein 

Das Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches 

Rechnen der GMD in 

Sankt Augustin ist erster Nutzer eines 

neuen, transatlantischen Hochgeschwindigkeitsnetzes 

auf ATM-Basis 

(Asynchronous Transfer Mode) zwischen 

Deutschland und Nordamerika. 

Das ATM-Netz mit einer Bandbreite 

von bis zu 155 Megabit pro Sekunde 

wird im Rahmen des MAY-Projekts 

(Multimedia Applications on Intercontinental 

Highways) aus dem Forschungs- 

und Entwicklungs-Programm 

der DeTeBerkom GmbH betrieben. 

Partner der DeTeBerkom – einer 

Tochtergesellschaft von Deutsche Telekom 

AG – im MAY-Projekt und beteiligt 

an der Realisierung dieses Netzes 

sind GlobalOne, Sprint, Teleglobe 

und Deutsche Telekom AG. Unter 

Federführung der Forschungsgruppe 

„High Speed Networking“ des GMD- 

Instituts für Medienkommunikation 

ist das Institut für Algorithmen und 

Wissenschaftliches Rechnen an das 

ATM-Netz der Deutschen Telekom 

angeschlossen und erreicht über Sylt 

und Montreal die New York University. 

In einer Kooperation zwischen dem 

GMD-Institut für Algorithmen und 

Wissenschaftliches Rechnen und dem 

Courant Institut of Mathematical 

Sciences der New York University 

werden innovative Teleanwendungen 

erprobt. Neben mehrstündigen stabilen 

Videokonferenzen gab es bereits 

erste erfolgreiche Experimente zum 

,Telecomputing‘: Umfassende aerodynamische 

Berechnungen auf einem 

Hochleistungscomputer der GMD 

wurden von New York aus interaktiv 

gesteuert und dort visualisiert. 

N A C H R I C H T E N 

Im nächsten Schritt, beim ,Metacomputing‘, 

werden über das Hochgeschwindigkeitsnetz 

gekoppelte Computer 

in Sankt Augustin und New 

York gemeinsam an der Lösung rechenintensiver 

Anwendungsprobleme 

arbeiten. ,Teleteaching‘ soll erlauben, 

an einer jenseits des Atlantik stattfindenden 

Vortragsveranstaltung in interaktiver 

Weise teilzunehmen. 

Das neue Hochgeschwindigkeitsnetz 

wird künftig auch das ,Telemanagement‘ 

durch Institutsleiter Prof. Dr. 

Ulrich Trottenberg erleichtern. Trottenberg 

hält sich zur Zeit im Rahmen 

eines Forschungsvorhabens für ein 

Jahr am New Yorker Courant Institut 

auf und leitet von dort aus das GMD- 

Institut. 

Die Rückenschule 

– maßgeschneiderte 

Informationen für 

den Benutzer 

Wie sich Computersysteme an die individuellen 

Bedürfnisse verschiedener 

Benutzer anpassen können, ist eine 

Fragestellung, die Mitarbeiter der AbteilungMensch-Maschine-Kommunikation 

des GMD-Institutes für Angewandte 

Informationstechnik beschäftigt. 

Ein Beispiel für ein solches adaptives 

System ist die Rückenschule, ein 

experimentelles System, das Anpassungen 

gemäß des vermutlichen Wissensstandes 

eines Benutzers automatisch 

vornimmt. 

In der Rückenschule werden Informationen 

zu Rückenbeschwerden, zur 

Haltung und Rückengymnastik sowie 

zur Anatomie des Rückens dem Benutzer 

in Form eines Hypertextes angeboten. 

Auf die einzelnen Hypertextseiten 

kann direkt über ein grafisches 

Inhaltsverzeichnis oder durch 

das Verfolgen von Querverweisen 

über sogenannte Hyperlinks zugegriffen 

werden. 

Innerhalb einer Hypertextseite können 

zu wichtigen dort verwendeten 

Begriffen zusätzliche Informationen 

ein- beziehungsweise ausgeblendet 

werden, namentlich eine Erklärung, 

eine Grafik, eine Definition im Glossar, 

der entsprechende Fachterminus 

oder zusätzliche Details. Dies kann 

dabei entweder durch den Benutzer 

selbst geschehen oder automatisch 

durch das System. 

Bei letzterem ist es notwendig, daß 

das System Annahmen über den Wissensstand 

des gegenwärtigen Benutzers 

bildet und diese in einem Benutzermodell 

speichert. Diese Annahmen 

basieren in der Rückenschule auf einem 

Eingangsinterview und einigen 

Aktionen, die der Benutzer im Hypertext 

durchführen kann. Eine Benutzermodellierungskomponentespeichert 

diese Annahmen, bildet weitere 

durch geeignete Schlußfolgerungsmechanismen 

und gibt dem Hypertextsystem 

Auskunft hinsichtlich der gegenwärtigen 

Annahmen. Entsprechend 

der gebildeten Annahmen werden 

dann die Hypertextseiten an den jeweiligen 

Benutzer angepaßt. 

Für eine umfangreichere Evaluation 

und einen breiten Einsatz, der sich im 

Bereich der präventiven Medizin und 

der Verhütung beruflich bedingter 

Beschwerden unmittelbar anbietet, 

muß die vorhandene experimentelle 

Rückenschule weiter ausgebaut werden. 

Externe Partner haben die Möglichkeit, 

an dieser Aufgabe mitzuwirken. 

Ein System, welches neben dem Wissensstand 

auch noch die Interessen 

und Präferenzen von Benutzern 

berücksichtigen soll, wird derzeit 

innerhalb des Projektes AVANTI 

(AdaptiVe and Adaptable INteractions 

for Multimedia Telecommunications 

ApplIcations) entwickelt und in 

mehreren europäischen Feldtests erprobt. 

Hierüber wurde bereits in der 

Ausgabe 1/96 des GMD-Spiegels, 

Seite 6, berichtet. 


Paralleles 

Rechnen stärkt 

die Industrie 

Wie können neue Branchen und neue 

Anwendungsfelder für das parallele 

Rechnen erschlossen werden, und wie 

sind insbesondere kleine und mittelständische 

Unternehmen zu erreichen? 

Antworten auf diese Fragen 

suchten Experten in einem Workshop 

zu finden, der am 21. Mai 1996 vom 

GMD-Institut für Algorithmen und 

Wissenschaftliches Rechnen und dem 

Institut für Paralleles und Verteiltes 

Rechnen der Universität Stuttgart in 

der GMD-Birlinghoven durchgeführt 

wurde. 

Anlaß für die Tagung war die im März 

1996 von der Europäischen Kommission 

gestartete Initiative ,HPCN 

(High Performance Computing and 

Networking) at large‘. Die Veranstaltung 

hatte zum Ziel, das parallele und 

verteilte Rechnen in der Industrie 

besser zu fördern. 

Durch HPCN werden Rechenkapazitäten 

bereitgestellt, die helfen, Entwicklungszyklen 

zu verkürzen, Kosten 

zu sparen, Qualität zu verbessern, 

neue Aufgabenstellungen zu bearbeiten 

und damit Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit 

zu steigern. 

Die Initiative ,HPCN at large‘ der Europäischen 

Kommission kann als 

Nachfolgeaktivität zu dem kürzlich 

abgeschlossenen Projekt EURO- 

PORT gewertet werden. Inhalt dieses 

mit 17 Millionen Ecu von der Europäischen 

Kommission geförderten 

Projekts war die Portierung von 38 

wichtigen kommerziellen Codes aus 

verschiedenen Anwendungsbereichen 

auf parallele Plattformen. Das Management 

von EUROPORT-1, in dem 

14 Programme aus der Strömungsund 

Strukturmechanik parallelisiert 

worden waren, lag beim GMD-Institut 

für Algorithmen und 

Wissenschaftliches Rechnen. In EU- 

ROPORT arbeiteten mehr als 120 

Partner aus ganz Europa zusammen, 

darunter industrielle Anwender und 

Nutzer wie zum Beispiel Audi, BMW, 

Fiat, Ford, Mercedes Benz, Saab, 


Paralleles und verteiltes Rechnen in der Industrie: mehr als 

130 Experten diskutieren im Großen Saal von Schloß Birlinghoven. 

ABB (Asea Brown Boveri), Rolls- 

Royce, Aerospatiale, British Airspace, 

EDF (Electricité de France), Bayer, 

Merck, Solvay und Philips. Das 

Vorhaben wird als erster großer 

Durchbruch für die industrielle Nutzung 

der Parallelrechner-Technologie 

betrachtet. 

,HPCN at large‘ soll nun auch verstärkt 

Branchen jenseits der klassischen 

Anwendungsfelder und insbesondere 

auch kleine Betriebe und die 

mittelständische Industrie erfassen. 

,HPCN at large‘ rangiert von skalierbaren 

Anwendungen auf kleinen Netzen 

von Workstations oder Personal 

Computern über parallele Hochleistungsrechner 

bis hin zu großen verteilten 

Systemen (Metacomputing) 

und geht damit über das traditionelle 

Höchstleistungsrechnen hinaus. 

Im ersten Teil der Veranstaltung 

wurde von fünf Vortragenden ein 

Überblick über den aktuellen Stand 

des parallelen und verteilten Rechnens 

in der Industrie vermittelt. Projekte 

zu den zentralen HPCN-Themen 

Simulation und Design, vernetzte 

Multi-Standort-Anwendungen, eingebettete 

Systeme, Informationsmanagement 

und Entscheidungsunterstützung 

wurden vorgestellt, und die Frage 

nach der gegenwärtigen industriellen 

Einsetzbarkeit der neuen Technologie 

wurde behandelt. 

Am Nachmittag gab Max Lemke von 

der Europäischen Kommission einen 

Überblick über das Förderprogramm 

der Kommission für HPCN-Einsteiger 

und Technologietransfer. Sogenannte 

Vorbereitungs-, Unterstützungs- und 

Transferaktivitäten umfassen unter 

anderem Sensibilisierungskampagnen,Einzelstudien, 

den Transfer 

optimaler 

Ver- fahren und 

Felderprobungen. 

Dabei sollen 

die tatsächlichen 

Erfordernisse 

von Anwendern 

aus der Industrie 

behandelt werden. 

Zur Hilfestellung 

wird ein 

europäisches Netz von Technologietransferknoten 

aufge-baut. 

Die Veranstaltung schloß mit einer 

Stunde Feedback aus dem Publikum 

und lebhafter Diskussion. Insbesondere 

wurden Vorteile, Kosten und Möglichkeiten 

eines effizienten Einstiegs 

ins HPCN erörtert. Obwohl der eine 

oder andere ,HPCN-Neuling‘ noch 

Zweifel hinsichtlich Reife und praktischer 

Einsetzbarkeit der neuen Technologie 

anmeldete, zeigten sich viele 

Teilnehmer an einem konkreten Einstieg 

interessiert. 

Die Veranstaltung machte deutlich, 

daß die Zeit reif für eine breitflächigere 

industrielle Nutzung des HPCN 

ist. Dies wurde schon durch das überraschend 

große Interesse an dem nationalen 

Treffen deutlich: Mehr als 

130 Teilnehmer kamen aus ganz 

Deutschland, davon etwa die Hälfte 

aus der Industrie. Viele kleine und 

mittelständische Unternehmen aus 

vielen verschiedenen Branchen waren 

vertreten, darunter Automobil- und 

Chemische Industrie, Robotics, Fuzzy 

Logik, Qualitätsmanagement, Mikroelektronik, 

Meteorologie und Umwelt, 

Energie, Biocomputing, Medizin, 

Metallindustrie, Elektrotechnik, 

Maschinenbau, Softwarebranche und 

Computertechnik. 

HPCN in seiner vollen Breite wird 

erst durch die neuen Hochgeschwindigkeitsnetze 

möglich. Eine spezielle 

Anwendung wurde implizit während 

der Veranstaltung demonstriert: Der 

Workshop wurde live über eine Breitbandleitung 

von der GMD an die 

Universität Karlsruhe übertragen. 


IDMS ’96 – 

interaktive 

multimediale 

Anwendungen 

im Blickpunkt 

Video-on-Demand, News-on-Demand, 

Tele-shopping oder auch Tele-education 

werden in Zukunft nicht nur die 

Arbeitswelt verändern, sondern auch 

das Verhalten privater Anwender beeinflussen. 

Um die Präsentation und 

die Analyse aktueller Entwicklungen 

bei interaktiven, verteilten Multimedia-Systemen 

und Multimedia-Diensten 

im Geschäfts- und Unterhaltungsbereich 

ging es auf dem „European 

Workshop on Interactive Distributed 

Multimedia Systems and 

Services“ (IDMS ’96), der vom 4. bis 

6. März 1996 im Japanisch-Deutschen 

Zentrum in Berlin stattfand. 

Veranstalter dieser internationalen 

Tagung waren die Fachgruppe „Kommunikation 

und Verteilte Systeme“ 

(KuVS) der Gesellschaft für Informatik 

e.V. (GI) und der Informationstechnischen 

Gesellschaft im VDE 

(ITG) gemeinsam mit dem GMD-Institut 

für Offene Kommunikationssysteme. 

Eine wesentliche Unterstützung 

erfuhr der Workshop durch die 

DeTeBerkom GmbH, durch das European 

Research Consortium for Informatics 

and Mathematics (ERCIM) 

und durch die Siemens AG. Für die 

Tagungsleitung waren Berthold Butscher 

(GMD-Institut für Offene Kommunikationssysteme 

und Sprecher der 

Fachgruppe KuVS) und Eckhard 

Moeller (GMD) verantwortlich. Die 

lokale Organisation lag bei Herwart 

Pusch (GMD). 

Die 126 Teilnehmer des Workshops 

aus den Arbeitsbereichen Forschung, 

Entwicklung und Anwendung stammten 

aus zwölf europäischen Ländern, 

darüber hinaus auch aus Australien, 

Kanada, Korea, Japan und den USA. 

Der thematische Schwerpunkt einer 

Reihe eingeladener Vorträge und 20 

der zuvor begutachteten Beiträge lag 

auf den Gebieten: Multimedia-Dienste 

„auf Abruf“, Multimedia Confer- 


Das mit der Organisation von IDMS’96 betraute Team des 

GMD-Instituts für Offene Kommunikationssysteme nach erfolgreicher 

Durchführung des Workshops: Berthold Butscher, 

Eckhard Moeller, Christine Passon, Silke Cords, Barbara 

Intelmann, Steffen Konegen, Herwart Pusch, Jan Grotelüschen 

(von rechts nach links). 

encing, Multimedia Networking und 

Transport, kontinuierliche Medien sowie 

Unterstützung bei der Entwicklung 

von verteilten Multimedia-Anwendungen. 

Der Bereich der kontinuierlichen Medien 

war am stärksten vertreten. Hier 

wurden Arbeiten zu folgenden Themen 

vorgestellt: Scheduling-Mechanismen 

in Multimedia-Systemen, 

Kontrolle von Videoströmen für Video-on-Demand-Dienste,Synchronisation 

kontinuierlicher Ströme sowie 

adaptive Filter für Audio- und Videoströme 

in Mehrpunktverbindungen 

zur Überbrückung heterogener Netze 

und Endsysteme. Andere Beiträge befaßten 

sich mit Systemarchitekturen 

und Standardisierung zur Unterstützung 

interaktiver multimedialer Anwendungen, 

Erweiterungen von Multimedia-Diensten 

im Internet zur Unterstützung 

von Mobilität, Auswahl 

von Informationen in Radio- und 

Fernsehsendungen über Spracherkennung. 

Den Auftakt an jedem der drei 

Workshoptage bildete ein Vortrag eines 

eingeladenen Sprechers: David 

Greaves, der Andy Hopper von Olivetti 

Research und der Cambridge 

University vertrat, ging in seinem Beitrag 

„The Network Computer – Fact 

or Fiction“ auf die Möglichkeit ein, 

Input/Output-Geräte über eine einheitliche 

Interface-Karte direkt an ein 

ATM-Netz (Asynchronous Transfer 

Mode) anzuschließen – statt an den 

Personal Computer/Workstation Bus –, 

um damit eine optimale Umgebung 

für Multimedia-Anwendungen 

einschließlich 

Mobilität und personenbezogenerKommunikation 

zu schaffen. 

Christian Huitema (Institut 

National de Recherche 

en Informatique 

et en Automatique) 

bot in seinem 

Vortrag „Realtime Multimedia 

over the Internet“ 

einen Überblick 

über bestehende und 

zukünftige Möglichkeiten 

in bezug auf die Frage, 

wie man Audio- und 

Video-Daten im Internet mit ausreichender 

Qualität übertragen und präsentieren 

kann. In seinem Beitrag 

„From Multimedia Systems to Interactive 

Television (ITV)“ zeigte Ralf 

Guido Herrtwich (RWE Telliance) 

technische Alternativen beim Aufbau 

von ITV-Systemen auf. Die Marktchancen 

zukünftiger ITV-Systeme als 

wichtigster Zulieferer multimedialer 

Inhalte beurteilte er positiv. 

In einer Gesprächsrunde, deren Leitung 

André Danthine (University of 

Liège) übernahm, diskutierten 

Berthold Butscher, Ralf Guido Herrtwich, 

David Hutchison (Lancaster 

University) und Henning Schulzrinne 

(GMD) über das Thema „Global 

Multimedia Communication: Choosing 

the Right Platforms“. Dabei wurde 

die Frage, ob das Internet als globales 

Kommunikationssystem zukünftig 

allein in der Lage sein werde, multimediale 

Anwendungen im Geschäfts- 

und Heimbereich zu unterstützen, 

kontrovers beurteilt. Die meisten 

Diskussionsteilnehmer waren der 

Meinung, daß das Angebot an heterogenen 

Netzen und Diensten – trotz 

der steigenden Zahl von Internet- 

Kunden – bestehen bleiben wird. 

Der Workshop schloß mit einem Beitrag 

von Christine Seidel (DeTeBerkom), 

„COMENIUS – The Virtual 

Classroom“. Darin wurden pädagogisch-didaktischeEinsatzmöglichkeiten 

von Multimedia-Anwendungen in 

der Schule anhand eines Feldversuchs 

in Berlin vorgestellt. Anschließend 

hatten die Teilnehmer Gelegenheit, 


eine Demonstration in den Räumen 

von DeTeBerkom zu beobachten. 

Hierbei wurden einige mit dem 

Workshop eng in Zusammenhang stehende 

Projektergebnisse vorgestellt. 

Die Proceedings des Workshops sind 

in der Reihe „Lecture Notes in Computer 

Science“, Nr. 1045, des Springer- 

Verlags (ISBN 3-540-60938-5) erschienen. 

Aufgrund des großen Interesses 

an dem Workshop wird bereits eine 

weitere Veranstaltung dieser Art vorbereitet, 

sie wird voraussichtlich im 

Jahr 1997 an der Technischen Hochschule 

Darmstadt stattfinden. 

Filmproduktion 

und Archiv 

wachsen 

zusammen 

Die Filmarchive werden in Zukunft 

verstärkt neue Wege bei der Erschließung 

ihrer Bestände gehen müssen, 

um die Nutzer besser versorgen 

zu können. Zu diesem Ergebnis kamen 

die mehr als vierzig Teilnehmer, 

die am 12. Juni 1996 im GMD-Institut 

für Integrierte Publikations- und Informationssysteme 

in Darmstadt zu 

dem Fachworkshop „Digitale Filmdokumentation 

– Erschließung, Recherche 

und neue Informationsdienste“ 

zusammengekommen waren. 

Über neue Entwicklungen und Erfahrungen 

in der täglichen Arbeit diskutierten 

in der GMD-Darmstadt Fachleute 

aus Film- und Fernseharchiven. 

Die Nutzer- oder „Lieferantenseite“, 

also die Film- und Fernsehautoren 

und -produzenten, waren weniger 

stark vertreten. Ebenfalls nur gering 

vertreten waren Softwarehäuser, die 

Softwareprodukte für Filmdokumentation 

anbieten oder entwickeln. 

Wie die Beiträge der Referenten und 

Diskussionsteilnehmer zeigten, ist die 

aktuelle Arbeit in der Filmdokumentation 

noch weitgehend vom Aufbau 

und der Pflege von inhaltsbeschreibenden 

Filmnachweisdatenbanken geprägt. 

Die digitale Speicherung von 


Neue Wege für Film- und Fernseharchive – auf einem Darmstädter Workshop erörtern 

Anbieter und Nutzer die Bedürfnisse von morgen. 

Filmen und ihre direkte Nutzung für 

die inhaltliche Erschließung einerseits 

sowie für die Inhalts- und Motivsuche 

andererseits ist für den größten Teil 

der vertretenen Archive noch Zukunftsmusik, 

wenngleich vereinzelt 

erste Projekte laufen. 

So arbeitet der Südwestfunk im Projekt 

Euromedia zusammen mit anderen 

europäischen Fernsehanstalten 

daran, Journalisten und Redakteuren 

im Schneideraum und an bestimmten 

Arbeitsplätzen digitale Filmdaten vorzuhalten, 

die sie direkt durchsuchen, 

sichten und eventuell für die Verwendung 

im eigenen Film schon vorschneiden 

können. Das Göttinger Institut 

für den wissenschaftlichen Film 

führt zusammen mit der GMD das 

Projekt AMPHORE (Audio-visual 

Media Platform for the Highlighting 

Organisation and Retrieval of Entities) 

durch, in dem es ähnlich wie 

beim Südwestfunk darum geht, neben 

ganzen Filmen, einzelne Filmsequenzen 

zu erschließen und digital zur Verfügung 

zu stellen. 

Den anwesenden Filmjournalisten 

und Redakteuren gingen diese Entwicklungen 

jedoch noch nicht weit genug. 

Sie wünschen sich von den Dokumentationsstellen 

zusätzliche 

Dienstleistungen. So wird bei jeder 

Filmerstellung immer nur ein Bruchteil 

des gedrehten Materials verwendet, 

was aber nicht bedeutet, daß der 

nicht verwendete Teil von schlechter 

inhaltlicher und materieller Qualität 

ist. Dieses Material beispielsweise mit 

Hilfe von Filmarchiven zu speichern, 

auszuwerten und möglicherweise sogar 

zur Weiterverwertung anzubieten, 

würde den Wünschen von Journalisten 

sehr entgegenkommen. Auf der 

anderen Seite erwarten Journalisten 

im Zeitalter von Multimedia eine medien- 

und institutionenübergreifende 

Recherche und Dokumentversorgung. 

So wurde gefordert, daß auch im 

Bewegtbildbereich Verbundkataloge 

ähnlich wie im Bibliotheksbereich 

entstehen, die zusätzlich zu den inhaltserschließenden 

Angaben auch 

Angaben zum Inhaber der Verwertungsrechte, 

zu den Preisen etc. beinhalten. 

Solche Vorstellungen klangen in den 

Ohren vieler anwesender Dokumentare 

noch sehr nach Utopie. Die Ansätze 

im Südwestfunk und im Institut 

für den wissenschaftlichen Film zeigen 

jedoch, daß die Filmarchive sich darauf 

einstellen, neue Wege zu gehen, 

um ihre Nutzer zu erreichen. Produktion 

und Archiv wachsen zusammen, 

und eine neue Arbeitsteilung ist absehbar. 

Umgekehrt müssen aber auch 

die kleinen privaten Fernsehanstalten 

allmählich erkennen, daß sie ohne 

professionelle Hilfestellung bei der 

Erschließung ihrer Materialien über 

kurz oder lang im Chaos landen werden. 

So lautet jedenfalls das Ergebnis 

einer Studie der Fachhochschule 

Hamburg zur „Optimierung der Beitragsdokumentation 

und Filmarchivierung 

im Lokalfernsehsender 

HH1“. Für das nächste Jahr wird eine 

ähnliche Veranstaltung ins Auge gefaßt. 


Forschung zur 

Modernisierung 

der Justiz in 

Nordrhein- 

Westfalen 

Zum Schlußreview des GMD-Projekts 

„Modellgerichte Nordrhein- 

Westfalen“ konnte der Stellvertretende 

Vorstandsvorsitzende der GMD, 

Dr. Heinz-Georg Sundermann, die 

14 Mitglieder des Projektbeirats am 

15. Mai 1996 im Roten Saal von 

Schloß Birlinghoven begrüßen. Im 

Zuge der Ergebnisdiskussion des vom 

GMD-Institut für Angewandte Informationstechnik 

durchgeführten Forschungsprojekts 

würdigten die Vertreter 

des Jutizministeriums von Nordrhein-Westfalen 

und die Praktiker das 

Engagement der GMD an den Modellgerichten 

des Landes. 

Bei dem Auftrag des Landesjustizministers 

zur wissenschaftlichen Begleitforschung 

an den Amtsgerichten von 

Düsseldorf, Gladbeck, Köln und Krefeld 

ging es um den Einsatz moderner 

Informationstechnik, so etwa Netze 

von Personal Computern, in Verbindung 

mit neuen Formen der Arbeitsorganisation, 

wie beispielsweise Service-Einheiten. 

Erstmalig in der deut- 

10 


schen Justiz wurde dabei – in Kooperation 

von GMD und IBM – unter 

wissenschaftlicher Beobachtung auch 

ein spracherkennendes Diktiersystem 

am Arbeitsplatz eines Richters erprobt. 

Das GMD-Projekt hat zur Optimierung 

der informationstechnischen Unterstützung 

und der damit verbunde- 

GMD-Wissenschaftler Hellmut Morasch (erster von links, neben GMD-Vorstandsmitglied Dr. 

Heinz-Georg Sundermann, zweiter von links) erläutert die Ergebnisse des Projekts „Modellgerichte 

Nordrhein-Westfalen“ vor Vertretern des Justizministeriums und der Oberlandesgerichte. 

nen organisatorischen Neuerungen 

beigetragen. Über die einjährige Evaluation 

der vier Modellversuche wurden 

zudem Erfahrungen gewonnen, 

die in Empfehlungen für den weiteren 

Transfer der Modellvorstellungen im 

Land umgesetzt wurden. 

Inzwischen konnte Projektleiter Hellmut 

Morasch den über 200seitigen 

Schlußbericht in Düsseldorf übergeben. 

Von dort wurde er an alle Gerichte 

des Landes sowie an die anderen 

Bundesländer verteilt. Der Ergebnistransfer 

wird durch einen Kabinettsbeschluß 

von Ende Juni dieses 

Jahres beschleunigt, womit ein Investitionsprogramm 

von 370 Millionen 

Mark für die Ausstattung der nordrhein-westfälischen 

Justiz mit Computernetzwerken 

aufgelegt wurde. 

Computer- 

Algebra verändert 

Mathematikausbildung 

Methoden der Computer-Algebra 

sollen für die Mathematikausbildung 

besser nutzbar gemacht werden. Dieses 

Ziel hatte eine internationale 

Tagung, die vom 2. bis 6. Juli 1996 in 

der GMD-Birlinghoven durchgeführt 

wurde. Veranstalter war der International 

Council for Computeralgebra 

in Matheducation (IC-CAME). Die 

GMD, bei der im Institut für Algorithmen 

und Wissenschaftliches Rechnen 

im Projekt „Computer Algebra 

and Differential Equations“ Forschungsaufgaben 

auf diesem Gebiet 

wahrgenommen werden, war Mitveranstalter. 

Auf der einwöchigen Tagung wurden 

den etwa 230 Teilnehmern aus mehr 

als 20 Ländern in mehr als 80 Fachvorträgen 

spezielle Methoden und 

Anwendungen vorgestellt, die sie als 

Anregung für ihre eigene Arbeit 

mit nach Hause nehmen konnten. 

Sprecher waren unter anderen 

David Stoutemyer, der Entwickler 

von Derive, einem kleinen Computer- 

Algebra System, das speziell für Ausbildungszwecke 

in den USA entwickelt 

wurde, und Bruno Buchberger, 

der Entwickler des Algorithmus zur 

Berechnung von Gröbner-Basen. Ein 

Tagungsband wird in Kürze erscheinen. 

Schlußveranstaltung der Computer- 

Algebra-Tagung im Großen Saal von Schloß 

Birlinghoven mit Dr. Leo Klingen, der 

zusammen mit Bärbel Barzel die Veranstaltung 

organisierte.

Die Tagung wird vom IC-CAME in 

jährlichem Rhythmus veranstaltet, 

nächstes Jahr findet sie in Baltimore, 

USA, statt. Die Aktivitäten des IC- 

CAME tragen mit dazu bei, daß sich 

in der Mathematikausbildung heute 

ein ähnlicher Wandel vollzieht, wie 

vor 20 Jahren durch die Einführung 

von Taschenrechnern für numerische 

Rechnungen. In zahlreichen Gymnasien 

in Deutschland gehört das Arbeiten 

mit Derive heute schon zum Standard 

und ist dabei, den Lehrplan in 

Mathematik grundlegend zu beeinflussen. 

Für die Schülerinnen und 

Schüler sind diese Kenntnisse ein entscheidender 

Vorteil, wenn sie an der 

Universität ein Studium beginnen. 

Elektronische 

Informationsdienste 

in 

Osteuropa – 

GMD veröffentlichtDatenbankverzeichnis 

„Elektronische Informationsdienste 

in Osteuropa“ ist der Titel einer 

dreibändigen Studie von Maria-Anna 

Courage und Alexander Vasilevic Butrimenko, 

die kürzlich in den Schriftenreihen 

der GMD veröffentlicht 

wurde. In einer Präsentationsveranstaltung 

am 24. Mai 1996 in der 

GMD-Birlinghoven stellten die beiden 

Herausgeber und Autoren das 

rund 1600 Seiten umfassende Werk 

der Öffentlichkeit vor. 

Die dreibändige Publikation ist ein 

umfassendes aktuelles Referenzwerk 

zu Datenbanken und anderen elektronischen 

wissenschaftlich-technischen 

und Wirtschaftsinformationsdiensten 

in Osteuropa. Der erste Band verzeichnet 

Datenbanken der Russischen 

Förderation, in einem zweiten Band 

sind Datenbanken der osteuropäischen 

Länder und der weiteren Nachfolgeländer 

der ehemaligen Sowjetunion 

zusammengestellt, im dritten 

Band werden die politischen und wirt- 


schaftlichen Rahmenbedingungen der 

jeweiligen Länder dargestellt, die Serviceleistungen 

der Informationszentren 

und Bibliotheken analysiert sowie 

der in den letzten Jahren in Osteuropa 

stattfindende Strukturwandel 

im Informationsbereich beschrieben. 

Die neue Publikation ist eine umfassende 

Aktualisierung des zwischen 

1991 und 1993 bei der GMD in Zusammenarbeit 

mit dem Internationalen 

Zentrum für wissenschaftliche 

und technische Information, Moskau, 

durchgeführten Projektes, das im Jahre 

1993 unter dem Titel „Der elektronische 

Fachinformationsmarkt in Osteuropa 

1993“ im Verlag Hoppenstedt 

in zwei Bänden veröffentlicht worden 

ist. Bereits dieses Projekt war sehr 

ehrgeizig und versuchte, eine sich 

ständig mit großer Geschwindigkeit 

verändernde Informationswelt in Osteuropa 

zu beschreiben, dabei nur die 

relevanten Datenbanken zu verzeichnen 

und einen ersten Überblick zu erstellen. 

Bereits bei der Drucklegung 

des Verzeichnisses lagen zahlreiche 

Datenbankbeschreibungen vor, die 

nicht mehr berücksichtigt werden 

konnten. So wurde eine Bestandsaufnahme 

dringend nötig, außerdem veränderte 

sich die Situation laufend: 

täglich entstanden neue Datenbanken, 

gleichzeitig wurden zahlreiche 

Informationszentren geschlossen und 

viele Datenbanken eingestellt. 

Nachdem die Kontakte zu zahlreichen 

Informationszentren in Osteuropa 

aufgebaut waren, konnte das Projekt 

nach 1993 fortgeführt werden. Die 

Jahre 1993 bis 1995 sind für die elektronische 

Informationswelt in Osteuropa 

eine besonders wichtige Phase 

mit tiefgreifenden Veränderungen gewesen. 

Informationszentren und Bibliotheken 

sind dabei, in einem gesellschaftlichenDemokratisierungsprozeß 

eine neue Rolle zu finden, sie erschließen 

sich Möglichkeiten, ihr Budget 

teilweise selbst zu erwirtschaften 

und übernehmen neue Aufgaben. Ein 

grundlegender Strukturwandel findet 

statt. Eine Dokumentation und Beschreibung 

dieses Strukturwandels ist 

das Hauptziel der vorliegenden aktualisierten 

Publikation. 

Bei der Fortsetzung des Projektes 

1993 wurde die enge Zusammenarbeit 

mit dem Moskauer Internationalen 

Zentrum für wissenschaftliche und 

technische Information beibehalten, 

darüber hinaus war es aufgrund des 

Zerfalls des bisherigen zentralistischen 

Systems in Osteuropa notwendig, 

nationale Informationszentren 

und Bibliotheken als Datenlieferanten 

für eine umfassende Bestandsaktualisierung 

einzubeziehen. 32 Institutionen 

aus 21 osteuropäischen Ländern 

konnten für die Mitarbeit gewonnen 

und davon überzeugt werden, 

daß es für ihre Arbeit von Vorteil sei, 

wenn die Informationsdienste ihres 

Landes in Westeuropa bekannt sind. 

Sowohl die Datenbankbeschreibungen 

als auch die Daten zur Informationsinfrastruktur 

in Osteuropa stammen 

überwiegend aus den nationalen 

Fachinformationszentren der jeweiligen 

Länder. Die direkte Zusammenarbeit 

mit zahlreichen Informationszentren, 

Bibliotheken und teilweise 

die Unterstützung der jeweiligen Ministerien 

der osteuropäischen Länder 

ermöglichte es, zuverlässige Daten zu 

erhalten. Aus den mittel- und osteuropäischen 

Ländern liegt umfangreiches 

Datenmaterial vor, bei zahlreichen 

Republiken der ehemaligen Sowjetunion 

sind intensive Bemühungen 

um den Aufbau elektronischer Informationsdienste 

festzustellen. Im ehemaligen 

Jugoslawien waren allerdings 

aufgrund der politischen Situation Informationen 

aus den Nachfolgeländern 

nicht zu beschaffen. Auch Albanien 

konnte bei dieser Untersuchung 

nicht berücksichtigt werden. Es ist geplant, 

die Datenbankbeschreibungen 

in das „Gale Directory of Databases“ 

bei Gale Research in den USA zu integrieren 

und in die englische Sprache 

zu übersetzen. 

Der Analyseband stellt umfangreiche 

und teilweise in Westeuropa bisher 

unbekannte Daten zur Informationsinfrastruktur 

in Osteuropa zur Verfügung. 

Auch hier handelt es sich um eine 

originäre und grundlegende Forschungsarbeit, 

die westeuropäischen 

Informationsfachleuten, Firmen, Unternehmen, 

Wissenschaftlern und Politikern 

den Zugang zu relevanten Daten 

ermöglicht. 


Die Zusammenarbeit im Rahmen dieses 

Projektes führte zu einem weiteren 

sehr wichtigen Ergebnis: Eine hervorragende 

internationale Gruppe 

von führenden Spezialisten wurde ins 

Leben gerufen, ein Netzwerk für den 

Informationsaustausch und für die 

Zusammenarbeit wurde neu geknüpft, 

nachdem alte „Knoten“ in dem osteuropäischen 

Informationsnetz nicht 

mehr existierten beziehungsweise vor 

der Auflösung standen und neue erst 

geschaffen werden mußten. Diese 

Gruppe hat mit ihrer bisherigen Zusammenarbeit 

eine Grundlage für die 

Durchführung weiterer internationaler 

Projekte im Bereich der osteuropäischen 

Informationswirtschaft geschaffen, 

die ohne funktionsfähige Informationsnetze 

nicht erfolgreich 

durchgeführt werden können. 

Symposium 

„Rechts- und 

Verwaltungsinformatik“ 

– 

Offizieller 

Abschied für 

Herbert Fiedler 

Mit einem Symposium zum Thema 

„Rechts- und Verwaltungsinformatik“ 

ist der ehemalige langjährige Institutsleiter 

der GMD und Leiter 

des Forschungsbereichs Informationsrecht, 

Prof. Dr. jur. Dr. rer. nat. Herbert 

Fiedler, am 14. März 1996 in 

Schloß Birlinghoven offiziell aus der 

GMD verabschiedet worden. Weggefährten 

und Fachkollegen Herbert 

Fiedlers erörterten in Vorträgen und 

Diskussionen gemeinsam mit rund 

50 Tagungsteilnehmern aus Wissenschaft, 

Verwaltung und Wirtschaft 

Forschungsschwerpunkte, in denen 

Fiedler als GMD-Institutsleiter und 

Hochschullehrer an der Universität 

Bonn tätig gewesen war. 

Einen Blick in die zukünftige Entwicklung 

von Fiedlers Fachgebiet 

wagte Prof. Dr. Roland Traunmüller 

von der österreichischen Universität 


Nestor der deutschen Rechtsinformatik – Prof. Dr. Dr. Herbert 

Fiedler Ehrengast des Symposiums „Rechts- und 

Verwaltungsinformatik“. 

Linz mit seinem Beitrag „Rechtsinformatik 

auf dem Weg ins nächste Jahrzehnt“. 

Mit einer Theorie der Verwaltungsinformatik 

befaßte sich Prof. Dr. 

Klaus Lenk, Universität Oldenburg, 

in seinem Vortrag zum Thema „Verwaltungsmodelle 

und Informatikleitbilder“. 

Prof. Dr. Heinrich Reinermann 

von der Hochschule für Verwaltungswissenschaften 

Speyer präsentierte 

seinen Zuhörern einen Einblick 

in das Gebiet der „Verwaltungsentwicklung 

und Verwaltungsinformationssysteme“. 

„Approximatives 

Schließen – Zur Logik des Alltags“ 

war Thema des Beitrags von Prof. Dr. 

Lothar Philipps vom Institut für 

Rechtsphilosophie und Rechtsinformatik 

der Universität München. 

„Herbert Fiedlers Anstöße zur juristischen 

Datenverarbeitung“ beleuchtete 

Prof. Dr. Dieter Strempel, Bundesministerium 

der Justiz und Universität 

Marburg. Die in den einzelnen Vorträgen 

angedeuteten Facetten des 

Fachgebiets Rechtsinformatik gaben 

nicht nur einen Überblick über aktuelle 

Arbeiten in diesem Sektor der Informatik, 

sondern machten gleichzeitig 

deutlich, daß Herbert Fiedler mit 

seiner Arbeit die Rechtsinformatik in 

vielfältiger Weise von den Anfängen 

an wesentlich mitgeprägt hat. So gab 

Fiedler in seiner Dankesrede dann 

auch der Hoffnung Ausdruck, daß es 

zu einer „zweiten Geburt“ der Rechtsinformatik 

kommen möge, da sie 

noch nicht die Anerkennung gefunden 

habe, die ihr zukomme. In seiner 

Emeritierung sieht Fiedler jedenfalls 

nicht seinen Abschied von seinen 

wissenschaftlichen Aktivitäten. Herbert 

Fiedler, seit 1970 Inhaber des 

Lehrstuhls für Juristische 

Informatik, Allgemeine 

Rechtslehre und 

Strafrecht an der Universität 

Bonn, war mit 

seiner Emeritierung Ende 

Juli 1994 auch aus 

der GMD ausgeschieden, 

der er seit 1970 angehört 

hatte. An der 

Universität Bonn hatte 

er gleichzeitig die Forschungsstelle 

für juristische 

Informatik und 

Automation geleitet. In 

der GMD leitete er 

zunächst die Abteilung für Behördliche 

Datenverarbeitungssysteme und 

baute dann das Institut für Datenverarbeitung 

im Rechtswesen auf, dessen 

Leitung er bis zur Auflösung im Zuge 

der GMD-Neuorganisation im Jahre 

1983 innehatte. Anschließend war er 

Leiter der Forschungsstelle für Informationsrecht 

und Ko-Institutsleiter 

des damaligen GMD-Instituts für Angewandte 

Informationstechnik. Einige 

der Entwicklungen, die Fiedler in dieser 

Zeit durch Forschungsaktivitäten 

in der GMD angestoßen hat, sind 

bis heute im Rechtspflegesystem 

Deutschlands im Einsatz. Beispiele 

sind JURIS, die große juristische Datenbank, 

JUSTIS, das Justizstatistik- 

Informationssystem, sowie SOJUS, 

ein Softwaresystem für die Geschäftsstellen 

in der Justiz. 

Herbert Fiedler ist auch international 

durch eine Vielzahl von Publikationen 

hervorgetreten, womit er sich unter 

anderem an den Diskussionen um den 

Datenschutz und das Informationsrecht 

beteiligt hat. Zudem engagierte 

er sich in der Gesellschaft für Informatik 

lange Zeit als Sprecher von 

deren Fachbereich 6 „Informatik in 

Recht und öffentlicher Verwaltung“. 

Von der Tageszeitung „Die Welt“ war 

er schon vor Jahren als Nestor der 

deutschen Rechtsinformatik gewürdigt 

worden. 


Wissenschaftsregion 

Bonn in 

Peking vorgestellt 

Auf reges Interesse bei den chinesischen 

Gästen stieß eine Präsentation 

der Wirtschafts- und Wissenschaftsregion 

Bonn, die im April 1996 in 

Peking, Volksrepublik China, durchgeführt 

wurde. Die Deutsche Botschaft 

in Peking hatte dazu ihre 

Räumlichkeiten zur Verfügung gestellt. 

Im Auftrag der Strukturfördergesellschaft 

präsentierte der GMD-Wissenschaftler 

Dr. Hans G. Klaus vor den 

chinesischen Teilnehmern aus wissenschaftlichen 

Einrichtungen, Unternehmen, 

Behörden und der Presse die 

Struktur und das Potential sowie die 

konkreten Ausbaupläne für Hochtechnologiebereiche 

in Wissenschaft 

und Wirtschaft für die Region Bonn. 

Die chinesischen Experten, die vom 

Gesandten der Botschaft, Walter 

Nocker, begrüßt worden waren, diskutierten 

insbesondere Initiativen wie 

TeleBonn und Caesar. Eine Videovorführung 

ergänzte die Präsentation 

der Bonner Vorhaben. 

Dr. Klaus, derzeit Leiter der Projektträgerschaft 

Fachinformation des Bundesforschungsministeriums 

und des 

Bundeswirtschaftsministeriums bei der 

GMD und zuvor Leiter des Wissenschaftsreferats 

der Deutschen Botschaft 

in Peking, präsentierte im zweiten 

Teil der Veranstaltung den GMD- 

Technologiepark als attraktives Tor 

für ausländische High Tech-Unternehmen 

oder wissenschaftliche Einrichtungen 

nach Deutschland und Europa. 

Die Initiatoren bewerten die Präsentation 

aufgrund der Anzahl und Zusammensetzung 

des Teilnehmerkreises sowie 

der für chinesische Verhältnisse 

außerordentlich regen Diskussion und 

Dank der Unterstützung durch die 

Deutsche Botschaft in Peking als 

wichtigen Anfangserfolg. Es sei von 

Bedeutung, bei potentiellen ausländischen 

Investoren auf einem so wichtigen 

Markt wie China mit 1,15 Milliarden 

Menschen für die Aktivitäten der 

Wissenschafts- und Wirtschaftsregion 

Bonn frühzeitig zu werben. 


Mit der GMD 

in die 

Telegesellschaft – 

Tag der offenen 

Tür in Darmstadt 

Telecomputing, Telemedizin, Telearbeit, 

Telemanagement, Telelearning, 

Teleshopping und Telebanking 

sind die Hauptthemen des Tages der 

offenen Tür in der GMD-Darmstadt. 

Diese traditionelle Veranstaltung wird 

in diesem Jahr am 12. November 

durchgeführt. 

Die Besucher haben die Möglichkeit, 

sich in den beiden Gebäuden der 

GMD in der Rheinstraße und in der 

Dolivostraße von 9.00 bis 18.00 Uhr 

einen Überblick über die aktuelle informationstechnische 

Forschung zu 

verschaffen und Anwendungsbeispiele 

kennenzulernen. Visionen und 

Wirklichkeit der Entwicklung zur Telegesellschaft, 

die einst mit dem Telefon 

begann, werden anhand von Forschungsprojekten 

und einsatzfähigen 

Systemen aufgezeigt und diskutiert. 

Wissenschaftler, Politiker und Anwender 

werden zu Wort kommen. Die Besucher 

haben Gelegenheit, selbst im 

Internet und World Wide Web zu 

surfen. 

Weitere Informationen im World 

WideWeb: http://www.darmstadt.gmd. 

de/TDOT96 und über Ute Sotnik, 

GMD – Forschungszentrum Informationstechnik 

GmbH, Dolivostraße 15, 

64293 Darmstadt, Telefon (0 61 51) 

869-822, Telefax (0 61 51) 869-81 81, 

E-mail: sotnik�gmd.de. 



Proteinstrukturen 

Von Thomas Lengauer, Ralf Thiele 

und Ralf Zimmer 

Die Berechnung der dreidimensionalen 

Struktur von Proteinen aus der 

Kenntnis der Proteinsequenz und gegebenenfalls 

weiterer aus Experimenten 

gewonnener Informationen ist eine 

der zentralen Herausforderungen 

der Molekularen Bioinformatik. Proteine 

sind bekanntlich aus den zwanzig 

in der Natur vorkommenden Aminosäuren 

aufgebaute Kettenmoleküle. 

Aminosäuren werden bei der Polymerisation 

mittels sogenannter Peptidbindungen 

unter Abscheidung von 

Wasser aneinandergereiht. Die im 

Protein verbleibenden Teile der Aminosäuren 

nennt man Aminosäurereste 

oder auch einfach Reste. Im Zuge 

der verschiedenen Genomsequenzierungsprojekte 

wächst die Anzahl 

der bekannten Proteinsequenzen heute 

täglich um mehr als hundert. Das 

für die Entwicklung von biologischen 

Wirkstoffen, aber auch für den wissenschaftlichen 

Fortschritt in Medizin 

und Biochemie wesentliche Verständnis 

der Funktion der entsprechenden 

Proteine kann jedoch letztlich nur auf 

der Basis der Kenntnis ihrer räumlichen 

Struktur gewonnen werden. 

Die experimentelle Aufklärung von 

Proteinstrukturen hinkt dramatisch 

hinter der Aufklärung von Proteinsequenzen 

her. Heute stehen geschätzten 

150 000 bekannten Proteinsequenzen, 

von denen etwa 40 000 in der im 

wissenschaftlichen Bereich häufig verwendeten 

Swissprot Datenbank gespeichert 

sind, weniger als 5 000 Einträge 

in der öffentlich zugänglichen 

Proteinstrukturdatenbank PDB gegenüber. 

Selbst unter der Annahme, 

daß in den nicht-öffentlichen Datenbanken 

der Industrie weitere 10 000 

Proteinstrukturen vorliegen, erscheint 

das Schließen der Lücke zwischen der 

Anzahl aufgeklärter Proteinsequenzen 

und Proteinstrukturen allein mit 

experimentellen Mitteln nicht realistisch. 

Hinzu kommt, daß die experimentelle 

Aufklärung einer Proteinstruktur 

äußerst zeitaufwendig ist und 

T I T E L 

auch das Risiko beinhaltet, überhaupt 

nicht zum Ziel zu gelangen, zum Beispiel 

weil sich das Protein nicht kristallisieren 

läßt. Dieses Problem kann 

durch theoretisch abgeleitete Strukturmodelle 

abgemildert werden, selbst 

wenn diese Modelle nur über Teilaspekte 

der Proteinstruktur, wie etwa 

die Faltungsklasse, Auskunft geben. 

Vor diesem Hintergrund hat sich das 

Proteinstrukturvorhersageproblem zu 

einem „Grand Challenge“-Problem 

der Molekularbiologie entwickelt. 

Die de novo Vorhersage einer Proteinstruktur 

aus einer Proteinsequenz, 

das heißt, Vorhersage ohne bekannte 

Verwandtschaften des Proteins zu aufgeklärten 

Strukturen, liegt für derzeitige 

Methoden jenseits des Erreichbaren. 

Vor dem Hintergrund, daß sich 

von der unglaublichen Fülle der möglichen 

Proteinsequenzen nur ein verschwindend 

geringer Prozentsatz unter 

natürlichen Bedingungen zuverlässig 

zu einer eindeutigen Struktur 

faltet, ist dies auch nicht verwunderlich. 

Darüber hinaus hat die Natur 

durch den Prozeß der Evolution aus 

dieser schon sehr kleinen Kandidatenmenge 

eine noch begrenztere Anzahl 

von Proteinfaltungen gewählt, 

um mit ihnen das Leben aufzubauen. 

Molekularbiologen schätzen diese 

Zahl auf höchstens 6 000. 

In Anbetracht dieser Tatsache stellt 

sich das Proteinstrukturvorhersageproblem 

nicht so sehr als ein Optimierungsproblem 

mit Kostenfunktionen 

wie Energie oder Packungsdichte, 

sondern vielmehr als ein Problem der 

Analyse der evolutionären Umgebung 

strukturbekannter Proteine. Die Methode 

der homologiebasierten Strukturmodellierung 

von Proteinen trägt 

dem Rechnung. 

Die homologiebasierte Modellierung 

geht von einer Proteinsequenz A aus, 

die evolutionär mit einer Proteinsequenz 

B verwandt ist, deren Struktur 

bekannt ist. Die Ähnlichkeit wird zum 

Beispiel durch den Prozentsatz von, 

in einem paarweisen Alignment von 

A und B zugeordneten, identischen 

Resten gemessen. Unter einem paarweisen 

Alignment versteht man die 

Identifizierung und Zuordnung von 

gleichen Teilen zweier Sequenzen un- 

ter Beachtung der Sequenzreihenfolge. 

Meist werden solche Alignments 

durch Untereinanderschreiben 

der Sequenzen notiert (siehe Abbildung 

1). Untersuchungen zeigen, daß, 

wann immer diese Ähnlichkeit von A 

und B einen Grenzwert – zum Beispiel 

25 Prozent Identität – übersteigt, 

eine weitgehende Strukturähnlichkeit 

der beiden Proteine praktisch zwingend 

vorliegt. Liegt die Homologie 

von A und B im Bereich zwischen 15 

Prozent und 25 Prozent, der sogenannten 

Twilight Zone, so ist eine 

evolutionäre Verwandtschaft zwischen 

A und B und eine daraus resultierende 

Strukturähnlichkeit möglich, aber 

nicht wahrscheinlich. Unterhalb von 

15 Prozent gelten die Proteine als evolutionär 

nicht verwandt, und Strukturaussagen 

über A können aus der 

Struktur von B im allgemeinen nicht 

abgeleitet werden. 

Im Falle einer nachweisbaren Homologie 

zwischen A und B besteht die 

homologiebasierte Strukturvorhersage 

aus folgenden Schritten: 

Schritt 1 (Alignment): Berechne ein 

geeignetes Alignment zwischen A und 

B. 

Schritt 2 (Rückgratplazierung): Weise 

den Rückgratatomen der Reste von 

A, denen im Alignment Reste von B 

gegenüberstehen, die Raumkoordinaten 

der Rückgratatome der zugeordneten 

Reste in B zu. Bei einem Proteinmolekül 

unterscheidet man zwischen 

der Hauptkette – auch Rückgrat 

genannt –, die unter anderem 

auch die Peptidbindungen enthält, 

und den Seitenketten. Seitenketten 

sind über ihr sogenanntes Cα-Atom 

an die Hauptkette angebunden. Die 

Erfahrung zeigt, daß der Rückgratverlauf 

eines Proteins die Gesamtstruktur 

des Proteins wesentlich bestimmt 

und in der Evolution stark konserviert 

wird. Die Plazierung der Rückgratatome 

– oft sogar nur der Cα-Atome – ist 

daher ein wesentliches Teilproblem 

der Proteinstrukturvorhersage. 

Schritt 3 (Schleifenmodellierung): Berechne 

Koordinaten für die in Schritt 2 

nicht plazierten Rückgratatome von 

A. Diese Atome stammen von Resten 

in A, die Lücken in der Sequenz B ge- 


genüberstehen. Ferner gibt es unter 

Umständen Teile der Struktur B, auf 

die keine Reste der Sequenz A abgebildet 

werden. Die dadurch getrennten 

Enden des Rückgrates müssen 

miteinander verbunden werden. 

Schritt 4 (Plazieren von Seitenketten): 

Plaziere die Seitenketten von A entlang 

des modellierten Rückgratverlaufs. 

Abbildung 1 illustriert diesen Prozeß. 

Sequenz A ist die Sequenz der Kette 

A einer Triosephosphat-Isomerase 

(Proteinstrukturdatenbank: 1timA). 

Sequenz B ist die Sequenz einer 2- 

Phospho-D-Glycerat-Hydrolase (Proteinstrukturdatenbank: 

4enl). 

Übersteigt die Ähnlichkeit von A und 

B etwa 50 Prozent, so ist das Alignment 

einfach, und häufig ist – wenn 

die Anzahl der Insertionen/Deletionen 

klein ist – auch die Modellierung 

der Schleifen möglich. In diesen 

Fällen kann man ein recht genaues 

Modell erwarten, wobei eine gute Seitenkettenplazierung 

entscheidend ist. 

In den für viele Anwendungen jedoch 

wesentlichen Bereichen niedrigerer 

Ähnlichkeit – zwischen 50 Prozent 

und 25 Prozent oder niedriger – sind 

die ersten drei Schritte die entscheidenden. 

Unser Ziel ist, die Genauigkeit 

der Strukturvorhersagen in den 

niederen Ähnlichkeitsbereichen nach- 

T I T E L 

Abbildung 1: GMD 

Schritt 1: 

1timA ...QEVHEKLRGWLKTHVSDAVAV--QSRIIYGGSVTGGNCKELASQHDVDGFLVGGASLK- 

PEF... 

|||||||| ||||| ||V ||||GGS||GG|| ||F|||| || 

||F 

4enl ...VPLYKHLADLSKSKTSPYVLPVPFLNVLNGGSHAGGAL-------ALQEFMIAPTGA- 

KTF... 

rel 667898654444432110000 001235555554310 012222222110 

Schritt 2: 

Schritt 3: Schritt 4: 

Illustration der homologiebasierten Proteinmodellierung 

haltig zu verbessern. Dazu gehört 

auch, die untere Grenze der Ähnlichkeit, 

für die überhaupt noch sinnvolle 

Faltungsvorhersagen gemacht werden 

können – ohne daß eine vollständige 

Modellierung möglich wäre –, weiter 

nach unten zu verschieben. Hinweise 

auf den evolutionären Verwandtheitsgrad 

und die Zugehörigkeit zu einer 

Faltungsklasse können auch in schwierigen 

Fällen zu recht genauen Strukturaussagen 

für pharmazeutisch relevante 

Teile des Proteins führen (siehe Abschnitt 

„Proteinstrukturvorhersage“). 

Wir gehen im folgenden davon aus, 

daß A und B eine Ähnlichkeit von 

20 Prozent bis 50 Prozent haben, und 

wir konzentrieren uns auf Schritt 1 

der homologiebasierten Modellierung. 

Der folgende Abschnitt beschreibt 

die von uns angewandten 

Methoden zur Berechnung eines 

Strukturmodells, der Abschnitt „Proteinstrukturvorhersage“ 

diskutiert eine 

Vorhersage, die wir mit diesen Methoden 

durchgeführt haben. 

Methodische Beiträge 

Das Alignment von Proteinsequenzen 

in Proteinstrukturen zum Zwecke der 

Erkennung der Faltungsklasse und 

der Strukturmodellierung von Proteinen 

wird auch als „Threading“ 

bezeichnet. Threading unterscheidet 

sich algorithmisch vom herkömm- 

lichen Sequenzalignment darin, daß 

der evolutionäre Verwandtschaftsbegriff 

durch den einer Kompatibilität 

zwischen der Sequenz A und der 

Struktur B ersetzt beziehungsweise 

ergänzt wird. Weltweit werden seit 

etwa fünf Jahren Methoden zum 

Threading entwickelt. Die Modelle 

für Sequenz-Strukturbeziehungen von 

Proteinen und die daraus abgeleiteten 

Kostenfunktionen bei der Optimierung 

von Alignments sind dabei ein 

zentraler Gegenstand der Diskussion. 

Im Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches 

Rechnen der GMD 

wurden im Rahmen des vom Bundesministerium 

für Bildung, Wissenschaft, 

Forschung und Technologie in 

seinem Strategieprogramm „Molekulare 

Bioinformatik“ geförderten 

PROTAL Verbundprojektes (Proteine: 

Sequenz, Struktur und Evolution) 

verschiedene Verfahren zum 

Threading einer Proteinsequenz A in 

eine Proteinstruktur B entwickelt. 

(Eine zusammenfassende Darstellung 

des PROTAL Projektes findet sich in 

Thomas Lengauer et al., PROTAL: 

Proteine, Sequenz, Struktur, Evolution. 

Statusseminar des Bundesministeriums 

für Bildung, Wissenschaft, 

Forschung und Technologie Bioinformatik 

(Gottfried Wolf, Ralph 

Schmidt, Marius van der Meer, Hrsg.), 

Deutsche Forschungsanstalt für Luftund 

Raumfahrt (1995) 3 bis 26). Ein 

Verfahren ist in dem Softwarewerkzeug 

123D implementiert und basiert 

auf der Methode der dynamischen 

Programmierung. Dabei werden die 

beiden Proteinsequenzen simultan 

von links nach rechts abgearbeitet, 

und 

es wird jeweils entschieden, welche 

Reste einander zuzuordnen sind. 

Diese Methode des Alignments wird 

seit mehr als zwei Jahrzehnten erfolgreich 

bei der Analyse evolutionärer 

Verwandtschaften zwischen Proteinsequenzen 

eingesetzt. Im vorliegenden 

Falle ist das Alignmentkriterium 

aber nicht die evolutionäre Abstammung, 

sondern die Sequenz-Strukturähnlichkeit 

beider Proteine. Für diese 

Ähnlichkeit müssen spezielle Maße 

entwickelt und eingesetzt werden. 

In der GMD wurde nun ein struktureller 

Ähnlichkeitsbegriff entwickelt, 



α-Helix 

β-Strang 

hydrophob 

der nach unseren bisherigen Experimenten 

besonders gut zur Faltungserkennung 

sowie zur Abbildung wesentlicher 

Teile von Proteinen geeignet ist. 

Dieser Ähnlichkeitsbegriff unterscheidet 

im wesentlichen zwischen verschiedenen 

Kontaktdichten in unterschiedlichen 

Abschnitten der Proteinkette, 

wobei die Sekundärstrukturen 

berücksichtigt werden (siehe Abbildung 

2). Ein Kontakt ist eine Stelle, 

an der sich zwei in der Proteinsequenz 

nicht benachbarte Aminosäurereste 

räumlich nahestehen. Dabei ist wesentlich, 

zwischen Kontakten mit 

großen und kleinen Sequenzabständen 

zu unterscheiden. Erstere verbinden 

Teile der Proteinkette, die in der 

Kette weit voneinander entfernt sind. 

In letzteren berühren sich Teile der 

Kette, die auch in der Kette und nicht 

nur im dreidimensionalen Raum nahe 

beieinander liegen. Der Ähnlichkeitsbegriff 

wird kalibriert durch eine statistische 

Analyse einer bereinigten Datenbank 

bereits bekannter Proteinstrukturen. 

Diese Kalibrierung quantifiziert 

unser bisheriges Wissen über 

Proteinstrukturen. 

Die mit einem solchen Ähnlichkeitsbegriff 

ausgestattete dynamische Programmierung 

kann eine Proteinsequenz 

in Minutenschnelle gegen eine 

repräsentative Menge von einigen 

hundert strukturbekannten Proteinen 

alinieren und dabei die Sequenzen heraussuchen, 

die am besten zur gegebenen 

Sequenz passen. Unsere Erfahrungen 

mit 123D sind, daß dabei die allgemeine 

Struktur, insbesondere die Lage 

der Sekundärstrukturelemente, recht 

zuverlässig vorhergesagt werden kann, 

T I T E L 

Umgebung eines Restes in einer Proteinstruktur. 

Der dunkle Rest liegt am Ende 

eines β-Stranges in einer hydrophoben Umgebung 

und kontaktiert mit fünf anderen 

Resten, darunter zweien in einer α-Helix. Es 

gibt zwei häufig beobachtete sogenannte 

Sekundärstrukturelemente in Proteinen. In 

einer α-Helix nimmt die Polymerkette des 

Proteins eine sehr kompakte spiralförmig 

gewundene Form an. In der Natur beobachtet 

man immer links gewundene α-Helices. 

In einem β-Strang streckt sich die Polymerkette 

des Proteins. β-Stränge lagern gern aneinander 

und formen so β-Faltblätter. 

selbst wenn die Ähnlichkeit gering ist. 

Nicht alle Teile der Proteinstruktur 

sind für das Verständnis der Funktion 

eines Proteins gleich wichtig. Proteine, 

die Stoffwechselfunktionen ausüben, 

zum Beispiel Enzyme, haben ein 

oder mehrere aktive Zentren, meistens 

Gruben oder Taschen, in denen 

sich andere Moleküle anlagern und 

chemische Reaktionen katalysiert 

werden. Das Aussehen solcher aktiver 

Zentren ist besonders wesentlich. Die 

Modellierung dieser Taschen erfordert 

eine Genauigkeit bei der Proteinstrukturvorhersage, 

die mit dynamischer 

Programmierung im allgemeinen 

nicht zu erreichen ist. Der Grund 

hierfür ist, daß sich in einer Proteinstruktur 

Teile der Proteinsequenz gegenseitig 

beeinflussen können, die innerhalb 

der Sequenz weit voneinander 

entfernt sind. Die dynamische 

Programmierung, die beide Proteinketten 

simultan von links nach rechts 

abarbeitet und dabei weder vor noch 

zurück „schaut“, kann solche Beeinflussungen 

nicht berücksichtigen. 

Die durch oben genannte komplexe 

Wechelwirkungsnetze implizierten 

algorithmischen Probleme sind 

meist NP vollständig. NP vollständige 

Probleme bilden eine bekannte Klasse 

von Problemen, für die keine polynomialen 

Algorithmen bekannt sind. 

Ein polynomialer Algorithmus für ein 

solches Problem würde dann auch die 

polynomiale Lösung aller Probleme 

dieser Klasse implizieren. Daher sind 

zur genauen Modellierung von aktiven 

Zentren komplexere Alignmentmethoden 

notwendig. 

In der GMD wurde eine solche Alignmentmethode, 

die RDP-Methode 

(Recursive Dynamic Programming), 

entwickelt, die das Alignment gleichsam 

von innen nach außen angeht. 

Die Methode beginnt mit den „wichtigen“ 

Teilen des Alignments und arbeitet 

sich schrittweise in Bereiche 

vor, in denen das Alignment unzuverlässiger 

wird. Sich aus dem Alignment 

ergebende Informationen über die 

Proteinstruktur werden bei der weiteren 

Alignmentberechnung berücksichtigt. 

In den mehrdeutigen Bereichen 

des Alignments wird so versucht, 

mittels der schon alinierten sicheren 

Bereiche die weiteren Alinierungen 

so vorzunehmen, daß ein konsistentes 

Bild der gesamten Struktur entsteht. 

Dabei werden paarweise Wechselwirkungen 

zwischen in der Struktur kontaktierenden 

Resten bewertet. Die 

Methode benötigt gewöhnlich eine 

längere Laufzeit als die dynamische 

Programmierung, aber auch sie kann 

eine Datenbank von ein paar hundert 

Proteinstrukturen in einigen Stunden 

durchsuchen. 

Will man ein Strukturmodell entwerfen, 

so ist die Erkennung signifikanter 

Abschnitte des Alignments wesentlich. 

Darunter versteht man Abschnitte, 

deren Korrektheit mit hoher 

Wahrscheinlichkeit angenommen werden 

kann. Diese Abschnitte zu finden 

und gewinnbringend für die sukzessive 

Alignmentberechung einzusetzen, 

ist auch ein wesentlicher Bestandteil 

der RDP-Methode. In der GMD wurde 

eine statistische Methode entwickelt, 

solche Zuverlässigkeiten zu 

schätzen. In Abbildung 1 werden beispielsweise 

in der Zeile rel des Alignments 

mit hohen Ziffern hohe Zuverlässigkeiten 

von Alignmentpositionen 

angegeben. 

Verfügbarkeit der Methoden 

Die im Projekt PROTAL entwickelten 

Methoden sind in ein Software- 

Werkzeug ToPLign (Toolbox for Protein 

Alignment) integriert und zum 

größten Teil auf dem World Wide 

Web über die Adresse http://www.cartan. 

gmd.de/ToPLign.html verfügbar. 

123D ist seit Mitte des Jahres 1995 

auch auf einem Server der amerikanischen 

National Institutes of Health 


(NIH) zugreifbar (http://www.cartan. 

gmd.de/123D.html (GMD) oder 

http://www.lmmb.ncifcrf.gov/~nicka/1 

23D.html (NIH, Washington DC)) 

und beantwortet zur Zeit etwa 1000 

Anfragen nach Threadings pro Monat. 

RDP Suchläufe können über 

ToPLign durchgeführt werden. 

Proteinstrukturvorhersage: 

Ein Beispiel 

Es gibt grundsätzlich zwei Vorgehensweisen, 

um Methoden zur Proteinstrukturvorhersage 

zu validieren. 

Zum einen kann man von dem Datenbestand 

der bisher bekannten Proteinstrukturen 

ausgehen, wie er etwa in 

der Protein Data Bank gegeben ist. 

Solche Strukturen sind praktisch ausnahmslos 

mit experimentellen Methoden, 

zum Beispiel Röntgenkristallographie 

oder Kernresonanzspektroskopie, 

bestimmt worden. Diese Daten 

bereinigt man, indem man eine repräsentative 

Auswahl von Proteinen 

vornimmt, deren Strukturen besonders 

präzise aufgeklärt worden sind 

und ein möglichst breites Spektrum 

der bekannten Strukturen abdecken. 

Einige zu solchen Proteinen ähnliche 

und ebenfalls genau in der Struktur 

aufgeklärte Proteine verwendet man 

zum Test der Methode: Man sagt ihre 

Struktur vorher und vergleicht mit 

den experimentell ermittelten Daten. 

Auf diese Weise kann man statistische 

Untersuchungen über die Zuverlässigkeit 

der Vorhersagemethode anwenden. 

In bezug auf die beiden in der 

GMD entwickelten Alignmentmethoden 

sagen diese aus, daß strukturelle 

Ähnlichkeiten auch im Bereich der 

Twilight-Zone in vielen Fällen eindeutig 

erkannt werden können. 

Neben dieser Methode gibt es noch 

die Möglichkeit der Validierung anhand 

einer „echten“ Strukturvorhersage. 

Diese ist immer dann möglich, 

wenn eine Proteinstruktur kurz vor 

ihrer Aufklärung steht. Die Vorhersagemethode 

soll in diesem Fall einen 

Strukturvorschlag machen, der mit 

den danach experimentell erhaltenen 

Daten verglichen wird. 

Im letzten Jahr hatten wir Gelegenheit 

zu einer solchen „echten“ Strukturvorhersage. 

Die zugrundeliegende 

T I T E L 

Sequenz wurde uns über Prof. Dr. 

Hugo Kubinyi von der BASF Ludwigshafen 

und von Prof. Dr. Gerhard 

Folkers, Eidgenössische Technische 

Hochschule Zürich, übermittelt. Die 

Struktur war zu dieser Zeit bereits 

aufgeklärt, aber noch nicht veröffentlicht 

und uns nicht bekannt. In acht 

Tagen haben wir durch Einsatz unserer 

Methoden zur Strukturvorhersage, 

unserer ToPLign-Alignmentverfahren 

sowie von Methoden, die über das 

World Wide Web verfügbar sind, die 

Sequenz als die einer Herpes-viralen 

Thymidin Kinase (TK) identifizieren, 

ein plausibles Faltungsmodell erstellen 

und eine partielle Strukturvorhersage 

machen können. Etwa die Hälfte 

der Proteinsequenz konnten wir 

strukturell nicht modellieren. Dies ist 

im Nachhinein nicht überraschend, 

weil diese Hälfte eine Teilstruktur bildet, 

für die es in der Datenbank bekannter 

Strukturen offenbar kein Vorbild 

gibt. Für die Vorhersage kommt 

erschwerend hinzu, daß sich je zwei 

TK-Ketten zu einem Dimer Komplex 

zusammenlagern und somit nur für 

ein Viertel des Proteins ein geeignetes 

Modell in der Datenbank vorlag. In 

diesem Teil des Proteins konnten wir 

alle Sekundärstrukturelemente bis auf 

einen β-Strang korrekt zuordnen. Eine 

Zuverlässigkeitsanalyse der Alignmentpositionen 

hat den nicht korrekt 

vorhergesagten Strang als unzuverlässig 

aliniert qualifiziert, da in diesem 

Bereich eine zweite ähnlich gute 

Alternative für das Alignment vorlag, 

die sich im Nachhinein als die richtige 

herausgestellt hat. 

Besonders erfreulich ist, daß wir das 

aktive Zentrum des Proteins (siehe 

Abbildung 3) sehr genau modellieren 

konnten. In der Tat ist das Modell genau 

genug, um Hypothesen über die 

Wechselwirkung des Proteins mit anderen 

Molekülen abzuleiten. Interessant 

ist, daß bei einem Alignment zwischen 

der Thymidin Kinase und dem 

Strukturvorbild in der Protein Data 

Bank, einer Adenylat Kinase, eine Sequenzähnlichkeit 

von 19 Prozent herauskommt, 

wenn das Alignment die 

Übereinstimmungen in beiden Sequenzen 

maximiert. Bei dem strukturell 

abgeleiteten Alignment fällt diese 

Ähnlichkeit jedoch auf unter 11 Prozent. 

Das zeigt deutlich, daß bei der 


Bereich von 61 Aminosäuren der Herpesviralen 

Thymidin Kinase, der mit einer 

Genauigkeit von 1.41 Ångström root mean 

square vorhergesagt wurde. α-Helices sind 

dunkel, β-Stränge hell markiert. Die beiden 

Liganden ATP/Adenosintriphosphat 

(dunkelgraues Knopfmodell) und Thymidin 

(hellgraues Knopfmodell) sind ebenfalls 

eingezeichnet. 

Proteinstrukturvorhersage in dieser 

Ähnlichkeitsklasse Alignments, die 

Sequenzähnlichkeiten maximieren, 

nicht unmittelbar von Nutzen sind. 

Zusammenfassung 

Die Vorhersage von Proteinstrukturen 

ist eines der Grand Challenge- 

Probleme der rechnergestützten Molekularbiologie. 

Bis heute ist es nicht 

möglich, Proteinstrukturen de novo 

vorherzusagen. Für eine zuverlässige 

Strukturvorhersage braucht man vielmehr 

ein strukturelles Modell in Form 

eines (Teils eines) oder mehrerer Proteine, 

deren Struktur bekannt ist. In 

diesem Fall spricht man von der homologiebasiertenProteinstrukturvorhersage. 

Wenn hinreichende Sequenzähnlichkeit 

zwischen dem strukturell 

zu modellierenden Protein und den 

Proteinketten der Strukturvorbilder 

gegeben und berechenbar ist, kann 

der Vorhersageprozeß zum Erfolg 

führen. Bei Sequenzähnlichkeiten von 

unter 25 Prozent wird der Alignmentprozeß 

im allgemeinen sehr schwierig. 

Das Beispiel der Herpes-viralen Thymidin 

Kinase illustriert, wo die Möglichkeiten 

und Grenzen der homologiebasiertenProteinstrukturvorhersage 

liegen. Auf der einen Seite kann 

man Proteine modellieren, für die nur 

in Teilen Strukturmodelle in der Da- 


tenbank vorliegen. Die Methoden finden 

den Teil des Proteins heraus, der 

modelliert werden kann. Falls dieser 

Teil das aktive Zentrum des Proteins 

enthält, ist die Strukturvorhersage 

nützlich, auch wenn nicht das ganze 

Protein modelliert werden kann. Auf 

der anderen Seite findet die homologiebasierte 

Modellierung schon nach 

ihrer Konzeption dort ihre Grenzen, 

wo keine geeigneten Strukturvorbilder 

in der Datenbank vorliegen. 

Informatiker können zur Entwicklung 

von Methoden zur Proteinstrukturvorhersage 

in drei Bereichen beitragen. 

Zum einen können sie durch effiziente 

Implementierung die Mächtigkeit 

der Methoden beim Einsatz in 

der Molekularbiologie stark erhöhen. 

Ein Beispiel hierfür ist die Kodierung 

sorgfältig auf die Anwendung abgestimmter 

Varianten der dynamischen 

Programmierung in 123D. Zweitens 

können Informatiker durch die Entwicklung 

geeigneter Algorithmen 

neuartige biologische Fragestellungen 

für einen Rechner zugänglich machen. 

Ein Beispiel hierfür ist die RDP-Methode, 

deren baumorientierte Optimierungsverfahren 

die Analyse struktureller 

und sequentieller Abhängigkeiten 

in Proteinen ermöglicht. 

Schließlich sollten sich Informatiker 

aber auch an der Modellierung 

des molekularbiologischen Problems 

selbst beteiligen. Beispiel hierfür ist 

die Herleitung der strukturellen Ähnlichkeitsbegriffe, 

die den 123D- und 

RDP-Methoden zugrunde liegen. Zumindest 

die Beteiligungen der letzten 

beiden Arten erfordern ein hohes 

Maß an Interdisziplinarität. Der Ertrag 

aus dieser interdisziplinären Forschung 

hat direkte Anwendungsrelevanz 

der durch die Informatiker entwickelten 

Methoden. 

T I T E L 

.................................... 

Prof. Dr. Thomas 

Lengauer, PhD ist Leiter 

des GMD-Instituts für 


Wissenschaftliches 

Rechnen. Seine derzeitigenForschungsinteressen 

umfassen 

Algorithmen für technische 

Anwendungen 

von Packungsproblemen 

sowie Probleme 

der molekularen Modellierung 

in Chemie 

und Biologie. 

.................................... 

Ralf Thiele ist Mitarbeiter 

im GMD-Institut 



Rechnen. Sein Forschungsschwerpunkt 

im Projekt „Proteine: 

Sequenz, Struktur und 

Evolution“ liegt in der 

Entwicklung effizienter 

Algorithmen zur Proteinstrukturvorhersage, 

basierend auf empirischen, 

aus der Menge 

der bekannten Proteinstrukturen 

und 

-sequenzen abgeleiteten 

Potentialen. 

.................................... 

Dr. Ralf Zimmer ist 

Mitarbeiter im Projekt 

„Proteine: Sequenz, 

Struktur und Evolution“. 

Er beschäftigt 

sich mit der Modellierung 

von Proteinstrukturen 

und Proteinfaltung. 

Sein Hauptarbeitsgebiet 

ist zur 

Zeit die Entwicklung 

effizienter Algorithmen 

zur Proteinstrukturvorhersage 

und für die 

Analyse von biologischen 

Sequenzen 

und Proteinstrukturen. 

Berechnung 

von kristallinen 

und amorphen 

molekularen 

Strukturen 

Von Detlef Hofmann, 

Thomas Lengauer, 

Christina Oligschleger 

und Stephan Wefing 

Ein Schlüssel für die Eigenschaften 

vieler Materialien und Wirkstoffe 

liegt in ihrer molekularen Struktur. 

Unter der molekularen Struktur versteht 

man in diesem Zusammenhang 

sowohl das chemische Bindungsgerüst 

als auch und insbesondere die Anordnung 

der Atome im Raum. Die 

Kenntnis der Molekülstruktur ist 

daher ein wesentlicher Faktor in 

den naturwissenschaftlichen Disziplinen 

Chemie, Biochemie und Molekularbiologie. 

Sie ist ein wichtiges Element 

bei der Entschlüsselung der 

Eigenschaften von Werk- und Wirkstoffen 

und unterstützt die zielgerichtete 

Suche nach neuartigen Substanzen. 

Die experimentelle Chemie stellt eine 

beträchtliche Zahl von Verfahren zur 

Aufklärung molekularer Strukturen 

sowie zur Bestimmung von deren 

Energie bereit. Zu den strukturbestimmenden 

Methoden gehört die 

Röntgenkristallographie, bei der aus 

Beugungsmustern, die mit Röntgenstrahlen 

an Kristallen aus der betrachteten 

Substanz gewonnen werden, 

Strukturinformationen abgeleitet werden. 

Andere Methoden sind die Kernresonanzspektroskopie, 

diverse Methoden 

der Elektronenmikroskopie sowie 

Methoden, die auf anderen Teilchenstrahlen 

(Neutronen, Positronen) 

oder elektromagnetischen Wellen (γ- 

Strahlen) beruhen. 

Experimentelle Methoden der Strukturaufklärung 

sind häufig sehr aufwendig 

und führen nicht in allen Fäl- 


len zum Erfolg. Oft ist es hilfreich, 

durch ein rechnergeneriertes Strukturmodell 

alle bekannten Strukturdaten 

auf ihre Konsistenz hin zu überprüfen 

und den Raum der möglichen 

Strukturen einzuschränken. Andererseits 

erlauben diese Modelle unter 

Umständen die Berechnung von noch 

gar nicht vermessenen Substanzeigenschaften. 

Für eine solche Vorhersage 

muß sowohl die Strukturgenerierung 

als auch die Berechnung der Eigenschaft 

ausreichend schnell und zuverlässig 

sein. Ist dies der Fall, kann man 

über die Untersuchung einzelner 

Substanzen hinausgehen und ganze 

Datenbanken auf Substanzen mit 

gewünschten Eigenschaften durchsuchen. 

Die im Rechner erzeugten 

Modelle können der Ausgangspunkt 

für weitere gezielte experimentelle 

Untersuchungen sein. 

Für vergleichende Untersuchungen 

über Datenbanken benötigt man einen 

Durchsatz von einer Strukturmodellierung 

innerhalb weniger Minuten, 

damit auch Substanzfamilien mit 

einigen hundert bis tausend Mitgliedern 

noch in angemessener Zeit bearbeitet 

werden können. Konzentriert 

man sich auf eine einzelne Substanz, 

so sind Rechenzeiten von Stunden bis 

zu einem Tag tragbar. 

In der GMD verfolgen wir die Methodik, 

zunächst mit gezielt vergröberten 

Modellen und diskreten Optimierungsmethoden 

zu arbeiten, um in einem 

begrenzten Zeitumfang erste 

Strukturvorschläge zu machen. Favorisierte 

Strukturvorschläge werden 

dann mit verfeinerten Modellen und 

numerischen Methoden weiter bearbeitet, 

um größere Genauigkeiten zu 

erhalten. Im folgenden beschreiben 

wir die Ausprägung dieser Methodik 

für zwei Anwendungsbereiche, nämlich 

die Bestimmung von Kristallstrukturen 

kleiner bis mittelgroßer organischer 

Moleküle sowie die Berechnung 

von Strukturvorschlägen für anorganische 

amorphe Verbindungen. 

Weitere Anwendungen, die wir bearbeiten, 

sind die Berechnung von molekularen 

Komplexen aus Proteinen 

und niedermolekularen Liganden 

T I T E L 

(siehe auch Karl Aberer et al., GMD- 

Spiegel 1/96, Seite 15 ff, und das Titelbild 

dieser Ausgabe) sowie die 

Berechnung von Proteinstrukturen 

(siehe Thomas Lengauer et al., Modellierung 

von Proteinstrukturen, in 

diesem Heft). Unsere Forschungen 

finden in gemeinsamen Projekten mit 

Chemiefirmen (BASF, Merck) beziehungsweise 

im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 

408, „Anorganische 

Festkörper ohne Translationssymmetrie“, 

der Deutschen Forschungsgemeinschaft 

mit Physikern 

und Chemikern an der Universität 

Bonn und der Deutschen Forschungsanstalt 

für Luft- und Raumfahrt statt. 


organischen Kristallen 

Kristalle, die aus organischen Molekülen 

kleiner und mittlerer Größe 

gebildet werden, spielen eine wichtige 

Rolle bei der Entwicklung von Werkstoffen 

wie Pigmenten, Piezokristallen, 

optischen Elementen und magnetischen 

Substanzen. Die Moleküle, die 

hier betrachtet werden, haben eine 

Größe von bis zu etwa 100 Atomen. 

Die Kristallstruktur bedingt wesentliche 

physikalische Eigenschaften der 

Substanz. Etwa hängen bei Pigmenten 

die Farbschattierungen von der Kristallstruktur 

ab. Ferner ist die Substanz 

gegenüber äußeren Einflüssen 

wie etwa Lichteinwirkung oder Erhitzung 

um so stabiler, je höher die 

Energie ist, die aufgewendet werden 

muß, um die Kristallstruktur zu verändern. 

Mit Methoden wie zum Beispiel der 

Röntgendiffraktion lassen sich Kristallstrukturen 

atomar auflösen. Ferner 

lassen sich auch die Energien der 

Kristalle experimentell bestimmen. 

Beide Verfahren sind jedoch nicht immer 

erfolgreich, häufig deshalb, weil 

sie große Einkristalle benötigen, deren 

Fertigung nicht immer gelingt. 

Daher ist es sinnvoll, Kristallstrukturen 

und die aus ihnen resultierenden 

Eigenschaften der Substanz auch 

rechnerisch vorhersagen zu können. 

Wenn man aus der Kristallstruktur die 

interessierende Eigenschaft der Substanz, 

zum Beispiel ihre Farbe, rückrechnen 

kann, kann man mit einer 

schnellen Strukturberechnung Datenbanken 

organischer Moleküle auf 

Kandidaten hin durchsuchen, deren 

Kristalle die gewünschte Eigenschaft 

haben. 

Wir nehmen an, daß das organische 

Molekül starr ist. Diese Annahme ist 

in verschiedenen Anwendungsbereichen, 

zum Beispiel bei Pigmenten, 

naheliegend. Es sollen favorisierte 

Kristallstrukturen berechnet werden, 

die das Molekül annimmt. 

Wir haben eine Methode entwickelt, 

die auf der Basis einer gitterförmigen 

Diskretisierung des Raumes energetisch 

favorisierte Kristallstrukturen 

berechnet. Die Maschenlänge des Gitters 

liegt bei 1 Ångström, so daß die 

Diskretisierung Fehler von höchstens 


Beobachtete (grau) und berechnete (weiß) 

Kristallstruktur des Moleküls Bis(dimethylamino)-tetrasulfur-tetranitrid. 

etwa 0.9 Ångström Abweichung in 

sich birgt. Fehler dieser Größe sind 

zur Berechnung von Kristallstrukturen 

noch vertretbar. Bei Eingabe der 

Struktur des Moleküls Bis(dimethylamino)-tetrasulfur-tetranitridberechnet 

unser Programm FlexCryst eine 

Reihe von Kristallstrukturen und bewertet 

ihre Energie nach heuristischen 

Kriterien. Dabei werden Kristallstrukturen 

generiert, die bis auf 

die durch die Diskretisierung des 

Raumes bedingte Abweichung den 

tatsächlich beobachteten Kristallstrukturen 

gleichen. 


Abbildung 1 zeigt die beobachtete 

Kristallstruktur des Moleküls Bis(dimethylamino)-tetrasulfur-tetranitrid 

(grau) sowie eine von FlexCryst 

berechnete ähnliche Kristallstruktur 

(weiß). Die Abweichung zwischen 

beiden Strukturen ist für Analysezwecke 

ausreichend gering. Die Laufzeiten 

von FlexCryst hängen unter anderem 

von der Raumgruppe des Kristalls 

ab. Bei der einfachsten Raumgruppe 

liegen sie im Bereich von einer 

Minute. Bei komplexeren Raumgruppen 

kann die Zeit auf über 30 Minuten 

ansteigen. Zur Zeit können wir 

zwei Raumgruppen bearbeiten und 

erweitern das Programm auf weitere 

Raumgruppen. 

Die von FlexCryst erzeugten Strukturen 

können mit numerischen Methoden, 

etwa Energieminimierung, weiter 

verfeinert werden. Hier gibt man die 

Vergröberung des Raumes auf ein diskretes 

Raster auf und sucht dafür 

nicht mehr global niederenergetische 

Kristallstrukturen, sondern nur noch 

solche in unmittelbarer Nähe der 

Ausgangsstruktur. Die Anwendung 

dieser Methoden auf die Struktur in 

Abbildung 1 zeigt, daß die Verfeinerung 

die Struktur in kurzer Zeit und 

durch nur geringe Veränderungen auf 

ein energetisches Minimum führen 

kann, dessen Abweichung von der beobachteten 

Kristallstruktur sich weiter 

reduziert. Hätte man dagegen numerische 

Modellierungsmethoden auf 

eine zufällige Anfangsstruktur angesetzt, 

so hätte man bei Laufzeiten im 

Stundenbereich mit hoher Wahrscheinlichkeit 

Kristallstrukturen erhalten, 

die den beobachteten gänzlich 

unähnlich sind. 

Ein Test unseres Programms auf einer 

Auswahl von chemischen Verbindungen 

aus der Cambridge Structure Database 

ergab, daß in etwa einem Drittel 

der von uns untersuchten Fälle die 

Datenbank signifikante Fehler aufwies. 

Daher kann ein Werkzeug wie 

FlexCryst nicht nur zur Strukturberechnung, 

sondern auch zur Bereinigung 

von molekularen Datenbanken 

dienen. 

T I T E L 

Modellierung von anorganischen 

Gläsern 

Im Gegensatz zu Kristallen zeichnen 

sich amorphe Substanzen durch ein 

unregelmäßiges atomares Bindungsmuster 

aus. Ein Beispiel für eine 

amorphe Substanz ist Quarzglas. 

Während im Quarzkristall die atomare 

Anordnung regelmäßig ist (siehe 

Abbildung 2 (a)), liegt bei Quarzglas 

keine strukturelle Regelmäßigkeit vor. 

Gerade in dieser strukturellen Unregelmäßigkeit 

liegt die Besonderheit 

amorpher Substanzen, die sie zum Beispiel 

für hitzebeständige Keramiken, 

optische Leiter, Halbleiter und magnetische 

Materialien in verschiedenen Umfeldern 

besonders attraktiv machen. 

Viele der experimentellen 

Methoden zur 

Strukturbestimmung beruhen 

gerade auf der 

signalverstärkenden Eigenschaft, 

die Kristalle 

aufgrund ihrer regelmäßigen 

Struktur haben. 

So sind im Gegensatz 

zum Kristall die 

Koordinaten der Atome 

in einer amorphen Substanz 

experimentell in 

der Regel nicht direkt 

zugänglich. Darum ist 

die experimentelle Bestimmung 

amorpher 

Strukturen besonders 

schwierig, und der 

rechnergestützten Modellierung 

amorpher 

Strukturen kommt eine 

besondere Bedeutung 

zu. Insbesondere ist die 

Bestimmung einer einzelnen 

amorphen Struktur 

wenig aussagekräftig. 

Vielmehr muß man 

Ensembles solcher Modelle 

erzeugen, die mit 

experimentellen Daten 

verträglich sind, und auf 

ihnen statistische Rechnungen 

vornehmen, um 

dem Wesen der amorphen 

Substanz auf die 

Spur zu kommen. Das 

stellt besonders hohe Anforderungen 

an die Performanz einer rechnergestützten 

Methode zur Bestimmung 

amorpher Strukturen. 

Ein in der GMD entwickeltes Programm 

zur Modellierung amorpher 

Molekülcluster berechnet die in Abbildung 

2(b) dargestellte Quarzglasstruktur 

mit etwa 2 000 Atomen. Aufgrund 

der großen Anzahl von Atomen 

und der damit verbundenen 

großen Anzahl von Freiheitsgraden 

benötigt die Modellierung länger als 

im kristallinen Fall, nämlich bis zu einigen 

Stunden. Grundlage ist hier 

wiederum ein diskretes Strukturmodell. 

Diesmal wird jedoch nicht der 

Raum diskretisiert, sondern die Men- 

Abbildung 2 a: GMD 

Quarzkristall 

Abbildung 2 b: GMD 

Quarzglas 


ge der Variationsmöglichkeiten bei 

der Festlegung von atomaren Bindungspartnern. 

Die mit dem Programm 

erzeugten Strukturmodelle 

sind im Innern naturgetreu, leiden jedoch 

am Rand unter der Tatsache, 

daß die Atome an der Oberfläche in 

einer für sie „untypischen“ Umgebung 

liegen. Wir sind zur Zeit dabei, 

durch die Einbringung periodischer 

Randbedingungen Oberflächen aus 

unseren Modellen zu eliminieren. Ferner 

erweitern wir das Programm auf 

andere amorphe Substanzen. 

Mit unseren Kooperationspartnern im 

Sonderforschungsbereich 408, „Anorganische 

Festkörper ohne Translationssymmetrie,“ 

an der Universität 

Bonn entwickeln wir zur Zeit Methoden 

zur Verfeinerung der erzeugten 

Strukturmodelle. Eine Validierung 

der Strukturmodelle verläuft bei 

amorphen Substanzen durch Rückrechnung 

von Spektren und Korrelationsfunktionen 

aus dem Modell und 

ihren Vergleich mit entsprechenden 

gemessenen Daten. 

Zusammenfassung und Ausblick 

Die Rechnergestützte Modellierung 

molekularer Strukturen entwickelt 

sich zunehmend zu einer Analysemethode 

in der Chemie. Neben der experimentellen 

Untersuchung chemischer 

Werk- und Wirkstoffe und einer 

Theoriebildung auf dem Papier ist die 

Methode der Simulation chemischer 

Strukturen und Reaktionen bereits 

heute zur dritten Säule wissenschaftlicher 

Untersuchungen von chemischen 

Fragestellungen geworden. 

In der GMD beteiligen wir uns an dieser 

wissenschaftlichen Unternehmung 

in den Bereichen Molekularbiologie/Biochemie 

(Strukturen von Proteinen 

und Berechnung molekularer 

Wechselwirkungen zwischen Proteinen 

und organischen Wirkstoffen), 

organische Chemie (Berechnung von 

Kristallstrukturen organischer Moleküle), 

und anorganische Chemie 

(Strukturmodellierung kovalenter 

T I T E L 

Gläser). Neuartige diskrete Modellierungsmethoden 

sind in allen Fällen 

der Schlüssel für eine schnelle Berechnung 

plausibler Strukturvorschläge, 

die mit numerischen Methoden 

verfeinert werden können. Die Effizienz 

der Modellierungsalgorithmen 

ist so hoch, daß vergleichende Studien 

über größere Mengen von Verbindungen 

möglich werden. 

Heute sind die experimentelle und die 

rechnergestützte Untersuchung chemischer 

Verbindungen noch weitgehend 

voneinander getrennte Methoden. 

Wir versprechen uns einen erheblichen 

Fortschritt von der Verzahnung 

experimenteller und rechnerbasierter 

Methoden. Das langfristige 

Ziel liegt darin, in sorgfältig abgestimmten 

Untersuchungsfolgen, die 

mehrfach zwischen Experiment und 

Rechnermodellierung wechseln, die 

bereits angesammelten Strukturinformationen 

optimal zu nutzen und so in 

akzeptabler Zeit und mit hoher Sicherheit 

zu zuverlässigen Bestimmungen 

molekularer Strukturen zu kommen. 

.................................... 

Dr. Detlef Hofmann 

arbeitet im Bereich 

rechnergestützte 

Chemie des GMD-Instituts 

für Algorithmen 

und Wissenschaftliches 

Rechnen. Sein 

Forschungsschwerpunkt 

ist die Entwicklung 

neuer Methoden 

zur Vorhersage von 

Kristallstrukturen organischer 

Moleküle. 

.................................... 

Prof. Dr. Thomas 

Lengauer, PhD ist Leiter 

des GMD-Instituts für 



Rechnen. Seine derzeitigenForschungsinteressen 

umfassen 

Algorithmen für technische 

Anwendungen 

von Packungsproblemen 

sowie Probleme 

der molekularen Modellierung 

in Chemie 

und Biologie. 

.................................... 

Dr. Christa Oligschleger 

ist Physikerin und 

arbeitet im Projekt 

„Computational 

Chemistry“ am GMD- 

Institut für Algorithmen 


Rechnen. 

Ihr Aufgabenbereich 

liegt in der Untersuchung 

von Strukturen 

anorganischer Festkörper 

und der Simulation 

dynamischer Eigenschaften, 

dazu wird 

auch der Parallelrechner 

SP-2 eingesetzt. 

.................................... 

Dr. Stephan Wefing ist 

Chemiker im Projekt 

„Computational 

Chemistry“ am GMD- 

Institut für Algorithmen 


Rechnen. 

Sein Arbeitsschwerpunkt 

ist die Modellierung 

amorpher Festkörper. 


SCENE — Bilder 

in der Medizin 

Von Thomas Berlage 

Bilder aus dem menschlichen Körper 

spielen eine immer größere Rolle in 

der Medizin. Seit der Erfindung der 

Röntgenstrahlen fasziniert die Idee, in 

den Menschen hineinblicken zu können. 

Von Ultraschall zu Magnetresonanzverfahren, 

von Video zur Endoskopie, 

immer mehr stützt sich die 

ärztliche Diagnose auf bildgebende 

Verfahren. Auflösung und Qualität 

der Bilder steigen ständig. Dadurch ist 

vieles leichter zu erkennen, gleichzeitig 

tauchen aber auch mehr Details 

auf, die für die Diagnose entscheidend 

sein können. Die Aufgabe des Arztes 

ist also nicht einfacher geworden, im 

Gegenteil, die feineren Unterscheidungsmöglichkeiten 

bedingen eine 

höhere Detailkenntnis und Erfahrung. 

Der Projektbereich SCENE des 

GMD-Instituts für Angewandte Informationstechnik 

entwickelt Ansätze, 

wie die Informationstechnik den Mediziner 

hier unterstützen kann. Eine 

Schlüsseltechnik dafür nennt sich erweiterte 

Realität (augmented reality), 

die Integration zwischen dem technischen 

Abbild der Wirklichkeit und einer 

korrespondierenden Modellvorstellung. 

Heutige Computersysteme 

sind dazu in der Lage, animierte dreidimensionale 

Objekte darzustellen, 

die gedankliche Vorstellungen über 

die Abläufe im menschlichen Körper 

anschaulich machen können. 

Beispiel: 

Ultraschall in der Kardiologie 

Eine typische Anwendung dieser 

Technik sind Ultraschalluntersuchungen 

des Herzens. Zur Interpretation 

der Ultraschallbilder ist ein sehr differenziertes 

räumliches Vorstellungsvermögen 

notwendig. Damit aus „Sehen“ 

auch „Erkennen“ wird, muß der Arzt 

unbewußt visuelle Erwartungen aufbauen, 

denn Erkennen ist ein aktiver 

Prozeß. Normalerweise werden solche 

Erwartungsmuster durch lange Erfahrung, 

verbale Erläuterungen und vereinzelte 

Bilder vermittelt. 

T I T E L 

Für diese Situation hat die Projektgruppe 

den EchoSimulator konstruiert, 

eine Simulation, die neben dem 

Ultraschallbild auch ein animiertes 

Herzmodell zeigt. Das Herzmodell 

veranschaulicht genau die Modellvorstellungen, 

die ein erfahrener Kardiologe 

vom Herzen hat. Ein angehender 

Facharzt kann eine Ultraschalluntersuchung 

anhand dieses Modellherzens 

simulieren, um den Übergang zwischen 

den Denkvorstellungen und 

dem aktuellen Ultraschallbild zu trainieren. 

Auf diese Weise werden die 

notwendigen Erwartungsmuster viel 

schneller als bisher aufgebaut und 

Fehlvorstellungen von vorneherein 

vermieden. 

Am Simulator bewegt der Arzt einen 

simulierten Ultraschallkopf über einen 

Plastiktorso. Ein Sensor übermittelt 

Position und Orientierung des 

Kopfes an den Rechner. Dieser erzeugt 

eine Visualisierung der Abbildungsebene 

innerhalb des Herzens 

(Abbildung 2 rechts) und ein Schnittbild, 

das dem tatsächlichen Ultraschallbild 

entspricht (Abbildung 2 

links). Natürlich sind beide Darstellungen 

animiert: sie bilden auch den 

Herzschlag nach. 

Am Simulator trainiert der Arzt die 

Beziehung zwischen der Vorstellung 

vom Herzen und den tatsächlichen 

Ultraschallbildern. Gleichzeitig ist 

das System dazu geeignet, typische 

Schwierigkeiten des Ultraschalls und 

ihre Ursache am Modell zu demonstrieren, 

zum Beispiel in einem Ultraschallfortbildungskurs. 

Dieses Beispiel zeigt, 

wie die intuitive Veranschaulichung 

von medizinischen 

Vorstellungen 

in der Konfrontation 

mit realen Bildern dem 

behandelnden Arzt eine 

wirksame Orientierung 

geben kann. Diese Orientierung 

kann in verschiedenen 

Situationen 

wirksam werden: 

– Ausbildung: Grundlegende 

Vorstellungen 

werden schneller und 

ausführlicher vermittelt. 

– Diagnose: Modelle entlasten den 

Prozeß der Diagnosefindung; die 

Konfrontation von realen Bildern mit 

anschaulichen Modellvorstellungen 

bestimmter Krankheitsbilder erleichtert 

die Entscheidung, ersetzt sie aber 

nicht. 

– Behandlung: Ein Modell kann den 

Zustand des Patienten widerspiegeln 

und an weiterbehandelnde Personen 

kommunizieren. 

Der oben beschriebene EchoSimulator 

ist primär für die Ausbildung gedacht, 

die Unterstützung für die Diagnose 

wird in einer Industriekooperation 

unter dem Namen CardiAssist 

entwickelt. 

Das Projekt CardiAssist 

In dem europäischen Verbundprojekt 

CardiAssist, unterstützt durch das 

Förderprogramm Gesundheits-Telematik 

der Europäischen Union, will 

die GMD solche Unterstützungsleistungen 

beispielhaft umsetzen. In Kooperation 

mit Medizinern aus Universitätskliniken 

und Firmen der Medizintechnik 

werden Herzmodelle als 

Orientierungshilfen in kommerzielle 

Ultraschallgeräte integriert. 

Die dort entstehenden Prototypen 

werden für die kardiologische Ausbildung 

konzipiert, für die Diagnosefindung 

anhand dreidimensionaler 

Ultraschallbilder und zur Falldokumentation 

und Falldiskussion über 

Telekonsultation. 


Simulation einer Ultraschalluntersuchung 


T I T E L 

Abbildung 2 : GMD 

Bildschirm des EchoSimulators 

Ein typisches Szenario für dieses Projekt 

könnte sich etwa wie folgt abspielen. 

Ein neugeborenes Kind mit einem 

angeborenen Herzfehler wird in 

einer 

kardiologischen Klinik untersucht. 

Unter anderem erstellt die Kardiologin 

ein dreidimensionales Ultraschallbild 

des Herzens. Angeborene Fehlbildungen 

können mitunter sehr ungewöhnliche 

Formen haben, die zu ihrer 

Beurteilung und Behandlung eine 

konkrete räumliche Vorstellung bedingen. 

Dabei hilft die dreidimensionale 

Aufnahme mit dem begleitenden 

(Normal)modell. 

Die chirurgische Behandlung ist aber 

nur in einer entfernten Klinik möglich. 

Es bleibt nur wenig Zeit, um festzustellen, 

wer in der Lage ist, diesen 

Eingriff vorzunehmen. Die Ärztin 

kann nun das Normalmodell soweit 

variieren, daß es die wesentlichen 

Merkmale des realen Herzens wiedergibt. 

Diese Darstellung zusammen mit 

dem Ultraschallbild erlaubt dann eine 

sehr schnelle Beurteilung durch einen 

Chirurgen. Zu diesem Zweck wird eine 

Telekonsultation über das Integrated 

Services Digital Network (ISDN) 

aufgerufen, in der beide Ärzte den 

Fall diskutieren und die umgehende 

Überweisung des kleinen Patienten 

anordnen. Im entfernten Hospital angekommen, 

ist bereits alles zur Operation 

vorbereitet, ohne erneut langwierige 

Untersuchungen wiederholen 

zu müssen. 

Telekommunikationstechniken erlauben 

in allen Situationen die Zusammenarbeit 

zwischen entfernten Partnern. 

In der Ausbildung können hospitierende 

Studenten später auch in 

anderen Krankenhäusern weiter betreut 

werden. Diagnoseprobleme können 

mit entfernten Kollegen besprochen 

werden, und die Überweisung 

zur Folgebehandlung wird von einer 

anschaulichen Falldokumentation 

elektronisch begleitet. 

Die Dokumentation des Falles kann 

später aufbereitet wiederum Studenten 

zur Verfügung gestellt werden, um 

die Diagnose und Behandlung solcher 

Fehlbildungen für die Zukunft im Simulator 

zu trainieren. 

Virtuelle Szenen 

Als tragendes Konzept während der 

erwähnten Entwicklungen hat sich der 

Begriff der Szene erwiesen. Räumliche 

und bewegte Szenen – wie etwa 

das Herz mit der Visualisierung des 

Schallkopfes und der Bildebene, eingebettet 

in den Brustkorb, siehe Abbildung 

2 – bieten einerseits Anknüpfungspunkte 

für vorhandene Erwartungen, 

vermitteln darüber hinaus 

aber auch neue und detaillierte Vorstellungen. 

Die räumliche Struktur einer Szene 

kommt der menschlichen Wahrnehmung 

entgegen, weil wir von Geburt 

an die Umwelt in der gleichen Weise 

wahrnehmen und erforschen. Dreidimensionale 

Darstellungen veranschaulichen 

unmittelbar räumliche 

und strukturelle Zusammenhänge. 

Die Szene vermittelt eine Orientierung 

für das Zurechtfinden in den 

Bilddetails. Die Orientierung erlaubt 

es dem Betrachter, sich sofort auf die 

relevanten Details zu konzentrieren. 

Mit zunehmendem Wissen wird die 

Szene immer vertrauter, aber ähnlich 

wie in der Realität wird die Visualisierung 

nicht als Belastung empfunden, 

sondern unbewußt ausgeblendet, so 

daß die Details wirksam werden 

können. 

Zu diesem Zweck muß sich der Betrachter 

natürlich in der Szene bewegen 

und sich Einzelheiten genau betrachten 

können. Übertragen auf das 

Herzmodell heißt dies, daß man die 

Betrachtungsposition ändern kann, also 

quasi um das Herz herumgeht. Man 

kann näher herangehen, aber auch 

Teile des Herzens transparent machen 

oder wegblenden, um die Innenstruktur 

zu erforschen, wie etwa die Herzklappen. 

Neben der Orientierung bietet eine 

Szene aber auch bildhafte Erklärungen. 

Die Szene ist nicht nur der umschließende 

Raum für etwaige Details 

wie das Ultraschallbild, sondern bietet 

gleichzeitig auch Anhaltspunkte zum 

Verstehen dieser Ultraschallbilder. 

Für die Diagnose und das Verständnis 

von Herzkrankheiten spielen das Bewegungsverhalten 

und das Zusammenspiel 

der einzelnen Herzstrukturen 

eine entscheidende Rolle. Die 

Funktionsweise der Herzklappen muß 

verstanden sein, um Abweichungen in 

der Bewegung feststellen und in ihrer 

Tragweite beurteilen zu können. 

Animierte Computergrafiken sind ein 

neues Medium, in dem solche komplexen 

Strukturen und Abläufe veranschaulicht 

werden können. Im Gegensatz 

zum Trickfilm kann ein Benutzer 

aber interaktiv eingreifen und sich auf 

interessante Teile konzentrieren. Dies 

ist eine Voraussetzung, um Erklärungen 

auch in der alltäglichen Arbeitssituation 

benutzen zu können. 

Noch wenig ausgelotet sind die Möglichkeiten 

der Interaktion mit solchen 



Herz mit Darstellung des Klappenapparates 

Systemen: der Benutzer kann aktiv 

werden und simulierte Reaktionen 

hervorrufen. Damit ist auch aktives 

Handeln in komplexen Prozessen trainierbar. 

Im Gegensatz zu einem reinen Simulator 

kann die Szene aber auch Wirkungsmechanismen 

veranschaulichen. 

Beispielsweise würde ein simpler Simulator 

nur das Ultraschallbild zeigen. 

Damit wäre zwar gewonnen, daß 

keine Probanden mehr gebraucht 

werden – was übrigens für chirurgische 

Simulatoren ein sehr entscheidender 

Faktor ist – aber es fehlt die 

dazugehörige grafische Erläuterung 

des Geschehens, die die Bilder erst 

verständlich macht. 

Entwicklungsprozeß 

Eine andere Erkenntnis der bisherigen 

Arbeiten betrifft den Entwicklungsprozeß. 

Die Visualisierung komplexer 

Modelle ist mit heutigen Computersystemen 

weitgehend problemlos, 

wenn auch sehr mühselig, die eigentliche 

Herausforderung liegt aber 

in der Entwicklung und Umsetzung 

geeigneter Modellvorstellungen. Nie 

zuvor hatten Mediziner die Möglichkeit 

und die Anforderung, ihre Vorstellungen 

in einem dynamischen Medium 

zu realisieren. Die intensive 

Auseinandersetzung zwischen Medizinern 

und Informatikern, Psychologen 

und Designern ist notwendig, um 

wirksame Unterstützungsleistungen 

T I T E L 

zu realisieren. 

Es ist unmittelbar anschaulich, daß etwa 

ein Informatiker allein kaum in 

der Lage wäre, eine diagnostisch korrekte 

Herzdarstellung zu finden. Aber 

auch die Mediziner tun sich schwer, 

ihr Wissen in grafische Modelle umzusetzen. 

Erst in der Konfrontation mit 

einem anfaßbaren Zwischenergebnis 

kann der Mediziner seine Vorstellungen 

artikulieren. 

So ist auch das Herzmodell in SCENE 

entstanden. Erste rudimentäre Modelle 

wurden noch mit einfachen Entwicklungswerkzeugen 

konstruiert. 

Die Detaillierung war zwar erkennbar 

ungeeignet zur Vermittlung anatomischer 

Vorstellungen, aber die interaktive 

Bedienung ließ die medizinischen 

Kooperationspartner (Prof. Dr. Dierk 

A. Redel, Universitätskinderklinik 

Bonn) bereits die möglichen Anwendungen 

erkennen. Die Detailkritik 

der Mediziner führte zu einer ständigen 

Verfeinerung des Modells in aufwendigen 

Modellierungsverfahren. 

Beispielsweise wurden zur Darstellung 

des Klappenapparates Erwachsenenkardiologen 

hinzugezogen (Prof. 

Dr. Reinhard Griebenow, Universitätsklinik 

Köln-Merheim). 

Damit wird auch deutlich, daß es bei 

der Modellierung nicht auf die unkritische 

Abbildung einer wie auch immer 

gearteten Wirklichkeit ankommt. 

Das Herzmodell, so wie es ist, wird 

nie mit der Realität verglichen werden 

können, weil mit dem Öffnen des 

Brustkorbs das Herz aufhört zu schlagen 

und in sich zusammensinkt. Statt 

dessen repräsentiert das Modell die 

Vorstellungen des Kardiologen, die er 

zur Diagnosefindung benutzt. 

Zukunftsaussichten 

Natürlich lassen sich die erwähnten 

Techniken in fast allen medizinischen 

Bereichen anwenden. Es seien hier 

beispielhaft folgende Ansätze genannt: 

– Kardiologie: Die Veranschaulichung 

von Medikamentenwirkungen 

unterstützt Arzt und Patient in der 

richtigen Medikamentierung. 

– Gynäkologie: Auch in der Gynäkologie 

kann die Ultraschallunter- 

suchung durch Modelle unterstützt 

werden. Trainingsmechanismen verbessern 

die Diagnose aufgrund von 

Mikroskopbildern in der routinemäßigen 

Krebsvorsorgeuntersuchung. 

– Neurologie: Die Beziehung zwischen 

Bildern der Hirnaktivität und 

den auftretenden Störungen stellt 

hohe Anforderungen an das Vorstellungsvermögen 

des Mediziners. 

Ein weiterer Schritt betrifft die Einbeziehung 

der gesamten Situation des 

Arztes einschließlich der Beziehung 

zu seinen Patienten. Unterstützungssysteme, 

wie in SCENE entwickelt, 

werden auch Befähigungssysteme genannt. 

Sie vermitteln in der Arbeitssituation 

neue Fähigkeiten abgestimmt 

auf die Bedürfnisse des nutzenden 

Arztes. Auch die Patienten 

profitieren von dieser Technik. Sie erhalten 

nicht nur eine qualifiziertere 

Behandlung, sondern können durch 

die erklärenden Modelle selber die 

Situation besser verstehen. 

Dieses Szenario, in dem Arzt und Patient 

nicht durch die Technik getrennt 

sind, sondern, in dem Informationsund 

Kommunikationstechnik das Zusammenwirken 

beider stärken, wird 

in dem Modell des „Behandlungsraums 

der Zukunft“ verdeutlicht 

(Abbildung 4). 

Die Beziehung zwischen Arzt und Patient 

steht im Mittelpunkt des Geschehens. 

An den Wänden werden in 

einer gemeinsamen Szene situationsunterstützende 

Veranschaulichungen 

gegeben, die von der aktuellen Untersuchung 

beeinflußt werden. Neben 

den wichtigsten Fakten aus der Patientenakte 

findet man dort Bildaufnahmen, 

wie Ultraschall und Röntgen, 

zusammen mit erläuternden Modellen. 

Dies hilft dem Arzt bei der 

Diagnose, aber auch dem Patienten 

zum Verständnis. Arzt und Patient 

können sich über diesen gemeinsamen 

Bezug unterhalten, der Arzt wird die 

Modelle als Vermittlungsmedium benutzen. 

Auch Informationen aus Online- 

Diensten zu bestimmten Krankheitsbildern 

oder möglichen Medikationen 

können so abgerufen werden. Zur Te- 



Behandlungsraum der Zukunft 

lekonsultation werden andere Ärzte 

hinzugeschaltet, um die gemeinsame 

Diskussion auch über räumliche 

Grenzen hinweg zu führen. Neue Interaktionstechniken, 

beispielsweise 

Video, Gestik, Spracherkennung, werden 

benötigt, um mit den neuen Systemen 

zu arbeiten. Im Gegensatz zu 

heute lenkt die Technik den Arzt 

nicht vom Patienten ab, sondern bezieht 

beide kooperativ mit ein. 

Auch wenn das konkrete Szenario sicherlich 

nicht so schnell Einzug in die 

Praxis des Hausarztes finden wird, 

zeigt es doch auf, wie moderne Technik 

den Menschen sanft unterstützen 

kann. Gerade der niedergelassene 

Arzt braucht zum lebenslangen Lernen 

Unterstützung, um mit dem rasanten 

Fortschritt der Medizin Schritt 

halten zu können. 

.................................... 

Dr. Thomas Berlage 

arbeitet im GMD- 

Institut für Angewandte 


an interaktiven Telekonsultationssystemen 

für die Kardiologie 

und leitet das europäischeVerbundprojekt 

CardiAssist. 

T I T E L 

CardiAssist: 

Unterstützung der 

kardiologischen 

Diagnose und 

Telekommunikation 

durch 

Enablingsysteme 

und 3D Ultraschall 


Telekonsultation spielt eine zunehmend 

wichtigere Rolle in der Medizin. 

Sie ermöglicht Ärzten, eine Diagnose 

mit einem räumlich entfernten Kollegen 

zu besprechen, ohne den Patienten 

zu einer erneuten Untersuchung 

dorthin zu schicken. Sie ermöglicht 

einen nahtlosen Übergang zwischen 

der Diagnosestellung und der anschließenden 

Behandlung an einem 

beliebigen Ort. Telekonsultation kann 

lebensrettend sein, wenn in Notfällen 

oder abgelegenen Gebieten kein Spezialist 

vor Ort erreichbar ist. 

Das im Telematik-Programm der Europäischen 

Union geförderte Projekt 

CardiAssist hat ein Telekonsultationsverfahren 

für die Kardiologie zum 

Ziel, basierend auf dreidimensionalen 

Ultraschallbildern. Dem EchoCom- 

System liegen zwei wesentliche Ideen 

zugrunde: 

– Dreidimensionale Ultraschallbilder 

des Patienten werden in ein künstliches 

animiertes Oberflächenmodell 

des Herzens integriert. Das Herzmodell 

stellt eine virtuelle 3D-Szene dar, 

die zur räumlichen Orientierung dient 

und visuelle Erwartungsmuster für die 

Bildinterpretation bereitstellen soll. 

Interaktive Funktionen, wie das Auswählen 

von bestimmten Bildebenen 

und die Markierung und Annotation 

von Regionen, unterstützen die implizite 

Kommunikation zwischen den 

Partnern. 

– Das Herzmodell stellt ein „gemeinsames 

Artefakt“ zur Telekommunikation 

dar, das die folgenden Komponenten 

enthält: eine Repräsentation 

der Partner als virtuelle Akteure, eine 

Unterscheidung zwischen dem Kontext 

(der Patientenakte) und den individuellen 

Inhalten (Bildern, Meßwerten 

etc.), Konversation in Form von 

Audiosequenzen und Textnachrichten 

sowie einem Satz von Werkzeugen zur 

Manipulation. 

Das Zusammenspiel dieser beiden 

Konzepte stellt eine szenische Kommunikationsschnittstelle 

dar. Eine szenische 

Schnittstelle visualisiert eine 

Abstraktion in den gewohnten Dimensionen 

von Raum und Zeit. Die 

Struktur der Szene folgt den physikalischen 

Gesetzen. Außerdem ist eine 

Szene nicht nur passiv, sondern zeigt 

ein Verhalten, das nicht vom Benutzer 

selbst angestoßen wurde. Die raumzeitliche 

Natur der Szene ermöglicht 

es, solche Veränderungen natürlich 

wahrzunehmen, ohne sich auf die Einzelheiten 

der Szene zu konzentrieren. 

Szenische Kommunikationsschnittstellen 

basieren auf den folgenden 

drei fundamentalen Eigenschaften: 

– Orientierung. Die Kommunikationspartner 

benötigen eine Übersicht über 

die Situation und ihre eigene Beziehung 

dazu; sie müssen sich gegenseitig 

und die jeweiligen Standpunkte wahrnehmen 

können. 

– Visuelle Erklärung. Die grafische 

Struktur der Szene und ihr zeitliches 

Verhalten dienen zur Erklärung der 

Historie des Geschehens, der aktuellen 

Beziehungen der Einzelteile und 

der zukünftigen Aktionsmöglichkeiten. 

– Implizite Kommunikation. Die 

Partner kommunizieren durch Zeigeoperationen 

und Änderungen der 

Szene. 

Im folgenden werden zunächst unsere 

Erfahrungen mit szenischen Interfaces 

(Abschnitt 2) und gemeinsamen 

Artefakten (Abschnitt 3) geschildert. 

Anschließend werden die drei genannten 

Eigenschaften näher untersucht, 

die nach unserer Meinung wichtige 

Aspekte virtueller Modelle für 

die Telekommunikation beschreiben. 


Obwohl EchoCom bisher nur zum 

Teil implementiert ist, haben wir einige 

dieser Annahmen durch Beobachtungen 

in einem Ultraschallkurs verifiziert. 

In diesem Kurs wurde das vorher 

entwickelte System EchoSim als 

Vermittlungsmedium verwendet. 

EchoSim ist ein Trainingssystem für 

die Echokardiographie, das ebenfalls 

ein szenisches Interface mit einem virtuellen 

Herzmodell verwendet. 

Erfahrungen mit 

szenischen Visualisierungen 

für Ultraschalltraining 

Im Projekt SCENE wurde in der 

GMD ein Trainingssystem für die 

Echokardiographie entwickelt, dessen 

Konzepte auch für die Telekonsultation 

übernommen werden. Der interaktive 

Simulator EchoSim zeigt, wie 

virtuelle Modelle eine Orientierungshilfe 

für die Interpretation von Ultraschallbildern 

liefern können. Mit 

EchoSim kann der Kardiologe eine 

virtuelle Ultraschalluntersuchung anhand 

eines 3D-Datensatzes ausführen. 

Der EchoSim Ultraschallsimulator 

Konventionelle Ultraschallgeräte produzieren 

einen kontinuierlichen Strom 

von zweidimensionalen Ultraschallbildern, 

die durch einen von Hand bewegten 

Ultraschallkopf erzeugt werden. 

Dreidimensionaler Ultraschall 

besteht aus einer Anzahl von zweidimensionalen 

Schichtaufnahmen, die 

in bestimmter Reihenfolge mit konstanter 

Relativbewegung aufgezeichnet 

wurden. Jede der Aufnahmen ist 

eine kurze Folge von Bildern (6 bis 

24), um in der Kardiologie jeweils einen 

vollen Herzzyklus aufnehmen zu 

können. 

Der so erzeugte Datensatz (mit der 

Bezeichnung 4D, weil zeitabhängig) 

kann auch als Abfolge von Volumen 

beschrieben werden, die sich aus einzelnen 

„Voxeln“ zusammensetzen. 

Voxel sind das 3D-Äquivalent zu 

Pixeln und beschreiben ein kubisches 

Volumen mit einem bestimmten 

Grauwert. Ein solcher Datensatz stellt 

eine vollständige Beschreibung des 

raum-zeitlichen Zustands in einem bestimmten 

Teil des Körpers dar und ist 

daher auch für asynchrone Kommunikation 

und permanente Speicherung 

T I T E L 


Angeschnittenes Herzmodell in EchoSim 

verwendbar. 

EchoSim wird gesteuert mit einem 

imitierten Ultraschallkopf, an dem ein 

Sensor befestigt ist. Der Sensor mißt 

kontinuierlich Position und Orientierung 

des Ultraschallkopfes. Auf dem 

Rechner wird ein entsprechendes 3D- 

Szenario gezeigt, das aus einem animierten 

Herzmodell und einer visuellen 

Darstellung des Ultraschallkopfes 

und dessen simulierter Schallebene 

besteht (Abbildung 1). 

Durch Bewegen, Drehen oder Neigen 

des Ultraschallkopfes kann der Benutzer 

die Bewegungen der Bildebene 

durch das Herz aus zwei unterschiedlichen 

Perspektiven beobachten: 

1. In der „Außenansicht“ (rechts) 

blickt der Benutzer frontal auf den 

Brustkorb, das Herz und den Schallkopf 

als virtuelles Modell. Der Standpunkt 

in dieser Welt kann verändert 

werden, zum Beispiel, um die Seite 

oder Rückseite zu beobachten. Teile 

des Modells können transparent gemacht 

oder ganz weggenommen werden, 

um das Innere des Herzens mit 

dem Klappenapparat zu sehen. 

2. In der „Schnittansicht“ (links) sieht 

der Benutzer auf die aktuelle Bildebene 

des Schallkopfes, so wie dies auch 

in einem realen Ultraschallgerät zu 

sehen ist. In dieser Sicht wird ein 

Schnittbild aus dem 3D-Datensatz mit 

einer Konturdarstellung des virtuellen 

Herzmodells überlagert. 

Auf diese Weise vermittelt das virtuelle 

Oberflächenmodell eine Basisorientierung 

und den Überblick über 

den Datensatz. Das Herzmodell ist 

nicht vom jeweiligen Patienten abgeleitet, 

sondern von Hand modelliert, 

um die wesentlichen Vorstellungen 

eines kardiologischen Experten zu visualisieren. 

Damit bietet es nicht nur 

eine globale Orientierung, sondern 

vermittelt auch einen konkreten Satz 

von Erwartungsmustern zur Interpretation 

der Bilder. 

Beobachtungen in einem Trainingskurs 

Beobachtungen zur Nutzung von 

EchoSim als Kommunikationsmedium 

wurden in einem eintägigen Basiskurs 

zur Echokardiographie vorgenommen. 

In diesem Kurs wurde 

EchoSim zur Erläuterung von diagnostisch 

relevanten Standardpositionen, 

den notwendigen Schritten zu deren 

Einstellung, der dort sichtbaren 

Strukturen und der diagnostischen 

Zwecke dieser Positionen verwendet. 

Daneben wurde auch ein reales Ultraschallgerät 

verwendet. 

In vorherigen Kursen war zur Erläuterung 

noch ein mechanisches Herzmodell 

verwendet worden, das zur 

Darstellung der Innenstruktur auch 

aufgeklappt werden kann. An diesem 

Modell können natürlich keinen dynamischen 

Phänomene erläutert werden, 

auch die Illustration von Schnit- 


tebenen mit entsprechenden Handbewegungen 

ist nicht sehr aussagekräftig. 

Die Beobachtungen zeigen, daß der 

Simulator im Kursvortrag im wesentlichen 

als ein implizites Kommunikationsmedium 

zur Unterstützung der 

gesprochenen Sprache und anstelle 

von händischen Gesten eingesetzt 

wird. Der Simulator wurde häufig zeigend 

eingesetzt, um Strukturen, Positionen, 

Bewegungen und Regionen 

hervorzuheben. Ähnliche Operationen 

können in einer Telekonsultationssituation 

einen zusätzlichen 

Kommunikationskanal aufbauen, der 

auf einer Manipulation des 3D- 

Modells auf der einen Seite und der 

Beobachtung dieser Aktionen auf der 

anderen Seite besteht. 

Obwohl diese Beobachtungen primär 

eine Lehr-Lernsituation betreffen, 

sind sie auch auf Telekonsultationen 

anwendbar. Bei einer Telekonsultation 

sind auch selten beide Partner auf 

dem gleichen Wissenstand. Unabhängig 

davon sind die Kursbeobachtungen 

die einzigen realen Erfahrungen, 

die vor der Realisierung des Telekonsultationsdienstes 

zur Verfügung 

stehen. 

Der Vortragende benutzte den Simulator 

in folgender Hinsicht: 

Hervorheben benannter Strukturen: 

Strukturen, wie „Aorta“, „Mitralklappe“, 

„linker Ventrikel“, werden in 

der Lehrsituation häufig benannt. Obwohl 

alle Teilnehmer als ausgebildete 

Ärzte die entsprechenden Begriffe beherrschten, 

wurde dennoch häufig das 

benannte Element gleichzeitig in einer 

der beiden Sichten gezeigt. Damit 

wurde die Aufmerksamkeit verstärkt 

auf das jeweilige Element gelenkt und 

der mentale Aufwand zur Umsetzung 

von Name in Objekt verringert. 

Hervorheben von Kurven und Regionen: 

Als präzisere Zeigeoperation 

wurde in den 2D-Sichten häufig eine 

Kurve, zum Beispiel das posteriore 

Segel der Mitralklappe, oder eine Region 

mit dem Finger oder einem 

Leuchtzeiger hervorgehoben. Dazu 

wurde eine Kurve nachgefahren oder 

eine Region umgrenzt. Damit wurde 

die exakte Begrenzung einer Struktur 

T I T E L 

verdeutlicht, was in einem Ultraschallbild 

nicht immer offensichtlich 

ist. Es wurden nicht nur ganze Strukturelemente 

gezeigt, sondern auch bestimmte 

Abschnitte, zum Beispiel 

„der Mittelteil der anterioren Wand“ 

(um das Ausmaß eines Infarktes zu 

beschreiben). 

Bewegungsrichtung der Bildebene: In 

einigen Fällen war es wichtig, die 

Bewegungsrichtung der Bildebene 

(Drehen, Kippen, Verschieben) zu 

verdeutlichen. Dabei sind schon kleine 

Differenzen von Bedeutung, die in 

der 3D-Ansicht ohne weitere Hilfsmittel 

schwer zu erkennen sind. In einem 

solchen Fall wurde die Richtung 

verbal beschrieben oder mit einer zusätzlichen 

Handgeste veranschaulicht. 

Bewegungsrichtungen: Auch Bewegungen, 

zum Beispiel des Blutstroms, 

wurden durch Fingergesten gezeigt. In 

der Bildebene wurde dazu eine imaginäre 

Linie in Flußrichtung angedeutet, 

in der dreidimensionalen Darstellung 

mußte eine zusätzliche Fingerrichtung 

verwendet werden, da es dort 

keine Möglichkeit zur Richtungsangabe 

gibt. 

Verschieben des Standpunkts: Um die 

exakte Lage der Bildebene relativ zu 

verschiedenen Herzstrukturen zu zeigen, 

wurde häufig der Beobachtungsstandpunkt 

in der 3D-Darstellung verändert, 

aber nur zwischen drei bestimmten 

Positionen („vorn“, „links“ 

und „rechts“). Die Positionen waren 

jeweils relativ zur Schallebene, um 

den Schnitt jeweils aus der Vogelperspektive 

oder einer direkten Seitenansicht 

zu zeigen. 

Strukturen verbergen: Um die innere 

Struktur zu sehen, wurde die Herzkammer 

verschiedentlich unsichtbar 

oder transparent gemacht. 

Orientierung 

Eine wesentliche menschliche Fähigkeit 

ist die Orientierung in räumlichen 

Umgebungen. Einige wenige Blicke 

von verschiedenen Positionen reichen 

aus, um ein mentales Modell der 

Struktur und Aktivität in einer räumlichen 

Szene aufzubauen. Dieses mentale 

Modell ist ausreichend, um direkt 

aktiv zu werden und sich zu bewegen, 

Dinge zu verändern und mit anderen 

Menschen Kontakt aufzunehmen. 

In der beobachteten Kurssituation 

war die Szene real und lokal, aber der 

Simulator fügte einen virtuellen Teil 

hinzu. Das virtuelle Modell gab den 

Teilnehmern eine Orientierung über 

das Kursthema und ihre eigene Beziehung 

zu der gewünschten Vorstellung 

vom Herzen. 

Telekonsultation stellt hohe Anforderungen 

an die Orientierung der Teilnehmer, 

zum einen, weil innere Organe 

nur indirekt abgebildet werden 

können und zum anderen, weil in der 

Regel einer der Partner mit einem 

unbekannten Fall konfrontiert wird. 

Orientierung wird in folgender Hinsicht 

benötigt: 

– Um Kontakt aufzunehmen (Übersicht 

über Verfügbarkeit). 

– Zum Überblick über die jeweiligen 

Blickpunkte der Partner. 

– Zur räumlichen Orientierung in 

3D-Datensätzen. 

– Zur Orientierung über die Lage 

von Bildebenen im Raum. 

Diese Aspekte müssen bei der Konzeption 

eines entsprechenden Modells 

berücksichtigt werden. 

Kontaktaufnahme 

Asynchrone Telekonsultation ermöglicht 

es dem medizinischen Experten, 

die Arbeitszeit noch flexibler einzuteilen. 

Aber selbst unter diesen Bedingungen 

ist immer noch eine Information 

über die Verfügbarkeit der 

Partner notwendig, um in kritischen 

Situationen den geeigneten Kollegen 

herauszufinden. Die gemeinsame Szene 

muß also einen Überblick über die 

Verfügbarkeit der Partner bieten. 

EchoCom visualisiert die Büros der 

Partner in Form eines „cone trees“ 

(Abbildung 2). Wenn ein Partner 

nicht in seinem Büro zu sehen ist – also 

nicht für eine direkte elektronische 

Kontaktaufnahme zur Verfügung 

steht – ist das „virtuelle Büro“ leer. Es 


T I T E L 

Abbildung 2 : GMD 

EchoCom Bildschirm mit Patienten- und Partnerdaten (unten), Herzmodell (rechts) und Anschnitt (links). 

kann auch Hinweise wie „OP bis 12 

Uhr“ zeigen. Ist der Partner verfügbar, 

wird ein Miniaturbild angezeigt. 

Konsultationen werden durchgeführt, 

indem die eigene Person virtuell in einen 

bestimmten Raum bewegt wird. 

In diesem Raum wird der Zustand des 

Patienten in Form von Bildern repräsentiert. 

Weitere Informationen stehen 

in Schubladen zur Verfügung, die 

gegen unbefugte Einsicht gesichert 

werden können. 

Aufnahmeposition 

Eines der grundlegenden Probleme 

des kardiologischen Ultraschalls ist es, 

ein Bild an der geeigneten Stelle und 

im richtigen Abbildungsmodus aufzunehmen. 

Ein Bild zeigt jeweils nur einen 

winzigen Ausschnitt des Patienten, 

und es ist leicht möglich, die kritischen 

Stellen zu verfehlen. Messungen 

anhand von Bildern sind ebenfalls 

sehr anfällig gegenüber unkorrekten 

Aufnahmepositionen. 

Daher erhalten aufgenomme Bilder 

einen wesentlich höheren Wert, wenn 

ihre Aufnahmeposition relativ zum 

Patienten bekannt ist. Die Orientierung 

eines 3D-Ultraschalldatensatzes 

ist ohne zugehöriges Herzmodell alles 

andere als offensichtlich, und Volumendarstellungen 

zeigen selten eindeutige 

Darstellungen. Der hinzugezogene 

Kardiologe muß in der Lage 

sein, die Aufnahmeposition zu beurteilen 

und gegebenenfalls Korrekturen 

oder Alternativpositionen vorschlagen 

können. 

Zur Lösung dieses Problems präsentiert 

EchoCom die Ultraschallbilder 

immer in eindeutiger Beziehung zu 

dem virtuellen Herzmodell, entweder 

durch eine direkte bildliche Integration 

(die Konturüberlagerung in 

der 2D-Sicht) oder durch interaktive 

Rückkopplung (die Kopplung des 2D- 

Bildes an die simulierte Bildebene des 

Ultraschalkopfes). 

Blickpunkt Bewegen 

In der realen Welt kann eine komplette 

Beurteilung einer Situation selten 

aus einer einzigen Position erfolgen. 

Stattdessen muß der Beobachter auf 

bestimmte Teile fokussieren. Die Bewegung 

des eigenen Standpunktes in 

der (virtuellen) Welt hat zwei Motivationen: 

– Wahrnehmung der räumlichen 

Struktur. 

– Verändern des fokalen Punkts. 

Der erste Grund rührt daher, daß perspektivische 

Änderungen bei Eigenbewegungen 

einen Ersatz für stereoskopische 

Wahrnehmung darstellen. 

Der zweite Grund bezieht sich auf die 

Größe und Komplexität einer Szene. 

Das Hauptfenster in EchoCom zeigt 

einen Überblick über alle relevanten 

Patientendaten und Kommunikationspartner. 

In dieser Umgebung ist jeweils 

ein Patient der aktuelle Fokus. 

Die detaillierte Sicht bezieht sich auf 

genau eine Aufnahme und auf eine 

bestimmte Bildebene in dieser Aufnahme. 


Die Beziehung zwischen den verschiedenen 

Fokusebenen kann auf unterschiedliche 

Weise dargestellt werden. 

Man kann das aktuell fokussierte Objekt 

statisch markieren, man kann 

aber auch durch Animation beim Navigieren 

Beziehungen zwischen verschiedenen 

Ebenen herstellen. Zum 

Beispiel läßt sich die Beziehung zwischen 

der aktuellen Bildebene und 

der Position des Ultraschallkopfes 

sehr einfach anhand der Rückkopplung 

auf Bewegung des Ultraschallkopfes 

nachvollziehen. 

EchoCom benutzt einen gemeinsamen 

Standpunkt für alle Beobachter 

einer bestimmten Szene. Falls sich 

dies als eine Beschränkung herausstellen 

sollte, kann man zusätzlich eine 

Visualisierung der jeweiligen Standpunkte 

in die Szene aufnehmen. 

Implizite Kommunikation 

In EchoCom spielen Zeigeoperationen 

eine wichtige Rolle, weil die 

Kommunikation bereichert wird 

durch die Möglichkeit, in Konversationen 

auf Teile des Artefakts verweisen 

zu können. Diese zweifache 

Kommunikationsebene (double-level 

language) erhöht die Kommunikationseffizienz, 

weil Mehrdeutigkeiten 

verringert werden und schneller eine 

gemeinsame Verstehensbasis geschaffen 

wird. Die räumliche Struktur virtueller 

Welten und ihr Verhalten über 

die Zeit stellen sicher, daß die implizite 

Kommunikation in möglichst natürlicher 

Weise wahrgenommen werden 

kann. 

In dem beobachteten Trainingskurs 

wurden Zeigeoperationen intensiv genutzt, 

um die informelle Kommunikation 

mit der virtuellen Szene zu verbinden. 

Solche mehrfachen Kommunikationskanäle 

können auch für Telekonsultation 

oder Teletraining über 

Entfernungen genutzt werden. 

Konversation 

Die Aufzeichnung von Konversationen 

ist notwendig, um Zeigeopera- 

T I T E L 

tionen auch für asynchrone Kommunikation 

nutzen zu können. Solche 

Konversationen können in verschiedener 

Weise ablaufen: 

– Anmerkungen zur Patientenakte 

oder den Bildern. Anmerkungen verschiedener 

Personen können zum Beispiel 

durch verschiedene Farben identifiziert 

werden. 

– Aufzeichnung von geführten Touren 

durch die wichtigsten Beobachtungen. 

Solch eine Aufzeichnung besteht 

aus einer Audiospur mit synchronisierten 

Aktionen, die später 

wieder abgespielt werden können. 

– Synchrone Audio-/Videokonferenz 

mit Zeigeoperationen. 

Asynchrone Kontaktaufnahmen erfolgen 

durch Verschieben einer Aufzeichnung 

in ein bestimmtes Büro. 

Die Anfrage wurde bearbeitet, wenn 

eine entsprechende Aufzeichnung 

zurückgekommen ist. 

Interaktive Kommunikaton 

durch 3D-Bilder 

Im Trainingskurs benutzte der Instruktor 

den EchoSimulator als ein 

Medium, das kontinuierlich in den 

Fortgang der Konversation eingebunden 

wurde. Mehrere Kommunikationskanäle 

wurden gleichzeitig benutzt. 

Zeigemechanismen für Telekooperation 

müssen diese Randbedingungen 

beachten. Den verschiedenen 

Kommunikationskanälen sollten auch 

verschiedene parallel zu benutzende 

Eingabemechanismen zur Verfügung 

stehen. 

Verfolgung des Ultraschallkopfes: Offensichtlich 

ist der Ultraschallkopf das 

am häufigsten benutzte Instrument, 

das mit der rechten Hand gesteuert 

wird. In dem 3D-Szenario dient der 

Schallkopf zur Exploration des Volumens 

und zum Einstellen einer bestimmten 

Bildebene von Interesse. 

Markierung: Die zweithäufigste Operation 

war das Zeigen bestimmter 

Details in der Bildebene. In der Bildebene 

werden die meisten diagnostischen 

Details identifiziert und Messungen 

durchgeführt. Es wird ein Mechanismus 

gebraucht, um diese Fein- 

heiten gegenseitig zu markieren. 

Die Zeigeoperationen werden mit der 

linken Hand durchgeführt. In den 

meisten Ultraschallgeräten ist ein 

Trackball für diesen Zweck vorhanden. 

Alternativ könnte ein Lichtzeiger 

benutzt werden, da ein solcher auch 

häufig im Kursus eingesetzt wurde. 

Die Visualisierung einer solchen Zeigeoperation 

muß so gewählt werden, 

daß sie leicht wahrgenommen werden 

kann. Eine Anzeige (Telepointer) ist 

nur für die Dauer des Zeigevorgangs 

notwendig. Ein Grafiktablett bietet 

hierfür eine gute Möglichkeit, da die 

Visualisierung vom Stiftdruck abhängig 

gemacht werden und damit dynamisch 

aktiviert werden kann. 

Fokus: Einige Aktionen lenken die 

Aufmerksamkeit des Gegenüber (Fokus) 

auf einen bestimmten Teil der 

Szene. Da ihre Anzahl begrenzt ist, 

kann man sie durch Spracherkennung 

mit begrenztem Wortschatz auslösen, 

um eine separate Menübedienung zu 

vermeiden: 

– Fokus auf ein bestimmtes Fenster 

setzen („1“ oder „2“). Die Größe dieses 

Fensters kann mit weiteren Angaben 

(„groß“, „klein“) verändert werden, 

da eine Feineinstellung der Fenstergrößen 

nicht notwendig ist. 

– Blickpunkt in 3D setzen. Hier werden 

nur wenige Positionen tatsächlich 

eingenommen. Es ist noch zu untersuchen, 

ob diese Positionen absolut 

zum Herzen oder relativ zur Bildebene 

interpretiert werden sollen. 

– Herausheben benannter Strukturen, 

die durch ein begrenztes Vokabular 

benannt werden können. Dadurch 

werden mentale Beziehungen zwischen 

Namen und Bild gestärkt; für 

Experten wird das Auffinden des Fokuspunktes 

unterstützt. Mit den Zusatzworten 

„ein“/„aus“ können die 

Strukturen unsichtbar gemacht werden. 

Um die Spracherkennung während 

der Konversation zu ermöglichen, aktiviert 

ein Knopf auf dem Schallkopf 

die Spracheingabe für jeweils einen 

Befehl. 


Zeitliche Effekte: Im Gegensatz zu 

gemeinsamen Zeichenprogrammen 

sollen die Markierungen an bestimmten 

Stellen oder die Hervorhebungen 

nur selten permanent sein. Sie haben 

eine untergeordnete Rolle in bezug 

auf die eigentliche Konversation und 

sollten nur während des entsprechenden 

Gesprächsteils angezeigt werden, 

ohne daß die Partner die Markierungen 

explizit wieder entfernen müssen. 

Als Kompromiß zwischen Flüchtigkeit 

und Sichtbarkeit sollen die Markierungen 

„nachleuchten“ und nach 

kurzer Zeit allmählich verschwinden 

(Abbildung 3). 

Durch das Benennen wird eine Struktur 

mit voller Intensität markiert. Die 

Intensität nimmt dann allmählich ab, 

bis die Hervorhebung nicht mehr 

sichtbar ist. In der Bildebene können 

durch Nachleuchten Linien und Regionen 

nachgefahren werden. 

Betonung kann ausgedrückt werden 

durch die Intensität der Markierung. 

Wenn das Zeigegerät stärker gedrückt 

wird, wird die Markierungsintensität 

und damit die Nachleuchtdauer 

größer. Ein drucksensitiver Stift kann 

so vorteilhaft eingesetzt werden. 

Ebenso kann die Lautstärke für die 

Spracherkennung ausgewertet werden. 

Ausblick 

Die Erfahrungen aus dem Ultraschallkurs 

zeigen, daß virtuelle Modelle eine 

ausdrucksstarke implizite Kommunikation 

vermitteln können. Dabei 

wurden die folgenden drei Eigenschaften 

als besonders wichtig identifiziert: 

– Das Gewinnen eines Überblicks 

durch Navigieren in einer 3D-Szene. 

– Eine visuelle Erläuterung durch 

strukturelle Modelle, Animationen 

und die Historie. 

T I T E L 


Allmählich verschwindende Markierung 

einer Linie. 

– Implizite Kommunikation durch 

verschiedene Zeigemechanismen. 

Eine solche szenische Kommunikationsschnittstelle 

stellt nicht nur ein 

neuartiges Kommunikationsmedium 

dar, sondern unterstützt auch die kontinuierliche 

Forbildung der Benutzer, 

da entsprechende mentale Modelle 

zur Bildinterpretation und Wirkungsweise 

des Herzens vermittelt werden. 

Aber auch die persönliche Hilfestellung 

und die Fortbildung werden unterstützt. 

Unterstützung 

Die Unterstützungskonzepte für die 

Ultraschalldiagnose und das animierte 

Herzmodell wurden vom Projekt 

SCENE in der GMD (Gernoth 

Grunst, Thorsten Fox, Klaus-Jürgen 

Quast, Peter Rohleder) in Kooperation 

mit der Universitätskinderklinik 

Bonn (Prof. Dr. Dierk A. Redel) und 

der Universitätsklinik Köln-Merheim 

(Prof. Dr. Reinhard Griebenow) entwickelt. 

Das CardiAssist-Projekt wird 

von der Europäischen Union im Programm 

Gesundheitstelematik gefördert. 

Die Partner in diesem Projekt 

sind Stiftelsen for Industriell og Teknisk 

Forskning ved Norges Tekniske 

Høgskole (SINTEF), Vingmed Sound, 

TomTec, SONOTRON, Universität 

Bonn, Thorax Center Rotterdam und 

die Universitätsklinik Lissabon. 

.................................... 








CardiAssist. 


Szenische 

Enablingsysteme – 

Trainingsumgebungen 

in der Echokardiographie 

Von Gernoth Grunst, 

Thorsten Fox, Klaus-Jürgen Quast 

und Dierk A. Redel 

Das Problemfeld „medizinische Ausbildung“ 

ist geprägt durch die Diskrepanz 

einer theoretisch vorklinischen 

und einer praxisorientiert klinischen 

Ausbildungsphase. Die Lerninhalte 

sind im Sinne des Aufbaus reflektierter 

Erfahrungen nahezu unverbunden. 

Informatik verstanden als kooperative 

Problemlösewissenschaft kann hier einen 

spezifischen Beitrag zur Verbesserung 

der Situation leisten. Veranschaulichungstechniken, 

wie interaktive 

Multimedia und Virtuelle Realität, 

sind geeignet, theoretische und 

praktische Elemente medizinischer 

Expertise fallbezogen erfahrbar zu 

machen. 

Ein problemangemessenes und kognitiv 

adäquates Vermittlungskonzept 

setzt voraus, daß die wesentlichen 

Aspekte der realen Expertise beziehungsweise 

notorische Verstehensprobleme 

und Versagensgründe bekannt 

sind. Das Projekt SCENE hat zum 

Ziel, für den Bereich der Echokardiographie, 

also für Ultraschalluntersuchungen 

des Herzens, solche bedarfsgerechten 

Trainings- oder „Enablingsysteme“ 

zu entwickeln. Zu diesem 

Zweck werden zunächst interaktionsanalytische 

Untersuchungen realer 

Diagnosen und Fallbesprechungen 

durchgeführt. 

Die Analyseergebnisse leiten einen 

partizipativ-interdisziplinären Entwicklungsprozeß 

an. Von Medizinern 

und Psychologen gemeinsam als wesentlich 

erkannte Zusammenhänge 

und zugeordnete Hilfsvorstellungen 

T I T E L 


Anwendungsbereich 

Vor-Analysen 

Identifikation relevanter 

Inhalte und ihrer kognitiven 

Bewältigung durch 

den menschlichen Experten 

Erster Prototyp 

Zweiter Prototyp 

1. Bewertungsphase 

Beurteilung durch den 

Experten und Verfeinerung 

der Vermittlungsinhalte 

2. Bewertungsphase 

Test der Orientierungswirksamkeit 

in 

realen Zielsituationen 

Endsystem 

Generelle Merkmale 

- interdisziplinär 

- empirisch qualitativ 

- Rapid-Prototyping 

Vorgangsmodell der partizipativen 

Systementwicklung 

erfahrener Ärzte werden nach Diskussionen 

mit Multimedia-Designern 

und Informatikern in geeignete Veranschaulichungen 

durch interaktive 

3D-Grafiken und Animationen umgesetzt. 

In Design-Evaluation-Redesign- 

Zyklen werden zunächst Grobentwürfe 

realisiert, deren Unzulänglichkeiten 

mit den Zielanwendern erörtert 

werden. Diese Evaluationen fördern 

häufig noch tiefere Einsichten in 

die vom Experten tatsächlich angewandten 

mentalen Modelle zutage. 

Das folgende Transkript gibt ein typisches 

Beispiel dafür, welche räumlich 

dynamischen und anschaulich funktionalen 

Vorstellungen des kardiologischen 

Experten (E) hierbei elizitiert 

werden: 

E: Es könnte theoretisch sein, daß – 

wenn die Klappe aufgeht – die Chordae 

erschlaffen. Verstehen Sie, was 

ich meine? 

N: Ja. Natürlich, ja, ja. 

E: Daß sie, daß sie durchhängt. Soń 

bißchen, daß man sie soń bißchen 

krüngelig zeigt, wenn die aufgeht. 

Aber die Chordae sind nun nicht 

dafür da, – sozusagen – in Diastole 

was zu steuern, nur in Systole. Aber 

sobald die Klappe beginnt, sich zu 

schließen, ja?, werden die Chordae 

wieder gespannt. 

N: Mhm, mhm. 

E: Und dann bewegen sich die Papillarmuskeln 

in dem Maße, in dem sich 

die Chordae bewegen. Mit anderen 

Worten, die Ventrikel wird kürzer, dadurch 

wird der Abstand.. äh die Ventrikel 

wird kürzer, die Klappe muß zubleiben. 

Theoretisch würde die Klappe 

jetzt nach hinten durchschlagen, 

weil die Chordae gleichlang bleiben 

muß. Mit anderen Worten, in dem 

Maß, in dem die Ventrikel kürzer 

wird, müssen die Papillarmuskel auch 

kürzer werden, um das Gespann zu 

halten. 

Der GMD-Spiegel 2/3 – 1996 31 

N: Ja. 

E: Wichtig ist, daß in Diastole die 

Chordae schlaff sind. Wie soń Zügel 

am Pferd, der ganz locker ist, ń 

bißchen wellig würd ich die zeichnen 

in Diastole. Das wär toll. Dann ist die 

Sache also echt realistisch. Hat keiner 

so richtig gesehen bisher, aber so muß 

man sich das vorstellen. 

N: Mhm. 

E: Man sieht halt im Echo, wenn man 

in kurzer Achse ist, sieht man die 

Chordae als Punkte. Sieht man, wie 

die hin und herfliegen, flippern in 

Diastole, in Systole sind die ganz 

stramm. 

In erfolgreich verlaufenden tutoriellen 

Interaktionen mit Studenten hinterlegt 

der medizinische Experte 

durch vergleichbare Metaphern abstrakte 

Wahrnehmungen mit anschau-

lichem Sinn. Analysen realer Diagnosen 

zeigen zudem, daß derartige Leitvorstellungen 

dem Experten die intuitive 

Interpretation von Ultraschallbildern 

ermöglichen. Sie sind eine 

Voraussetzung der Erkennung pathologischer 

Veränderungen des Herzens 

im Ultraschall. 

Die im Transkript deutlich werdenden 

Mentalen Funktionsmodelle sind jedoch 

nicht die einzigen Formen kognitiv 

verdichteter Erfahrungen, die 

im Verhalten des Experten festzustellen 

sind und in der Ultraschalldiagnose 

eine Rolle spielen. Im Gegensatz 

zum Anfänger ist er unmittelbar – also 

ohne längere Überlegungsschritte – 

dazu in der Lage, die schallkopfabhängigen 

Ansichtswinkel eines Ultraschallbildes 

zu erfassen und Bilddetails 

geometrisch korrekt zuzuordnen. 

In den Interaktionsanalysen werden 

diese Unterschiede vor allem in der 

verzögerungsfreien Benennung der 

sichtbaren Strukturen deutlich. Der 

Anfänger hat sehr oft Schwierigkeiten, 

über die räumlich strukturelle 

Einordnung des Ultraschallbildes hinaus 

auch noch die Relevanz des Gesehenen 

für die Diagnose bestimmter 

Herzkrankheiten zu erfassen. Die aufeinander 

aufbauenden kognitiven Anforderungen 

scheinen zu kumulativen 

Desorientierungen zu führen. 

Ein diesem kognitiven Anforderungsprofil 

gerecht werdendes Enablingkonzept 

muß versuchen, Teilelemente 

der Expertise zu isolieren und in gesonderten 

Trainingseinheiten zu vermitteln. 

Durch selbstgesteuertes Üben 

sollen Erfahrungen gesammelt und zu 

automatisierten Wahrnehmungs- und 

Verhaltensmustern verdichtet werden 

können. 

Die multimedialen Trainingssysteme 

EchoTutor und 4D Heart Explorer 

Der EchoTutor ist der erste Prototyp 

computertechnischer Unterstützungssysteme 

für die Echokardiographie, 

der aus der Kooperation der GMD 

T I T E L 


Multimediale Trainingsszenarien EchoTutor und 4D Heart Explorer 

und der Abteilung für Kardiologie der 

Universitätskinderklinik Bonn hervorgegangen 

ist. Durch eine Verbindung 

von einfacher interaktiver 3D- 

Grafik, Animationen und Videosequenzen 

von Ultraschallaufnahmen 

erfährt der Arzt auf anschauliche 

Weise, wie diagnostisch relevante 

Schallebenen eingestellt werden, und 

bekommt Orientierungshilfen zur 

Identifikation von Strukturen in den 

ge-wonnenen Bildsequenzen. Außerdem 

werden räumliche Zusammenhänge 

von Bildebene und Schnittebene 

im Herzen anschaulich visualisiert 

und zum Beispiel erlaubt, die notwendigen 

mentalen Rotationen der im Ultraschall 

gezeigten Anschnittbilder 

des Herzens einzuüben. Sie sind eine 

Voraussetzung der schallkopfabhängigen 

räumlichen Interpretation von 

transthorakalen Echobildern in den 

diagnostischen Normpositionen. 

Im 4D Heart Explorer lassen sich detailreiche 

Visualisierungen des schlagenden 

Herzens in Form interaktiver 

Animationen aufrufen. Das Herzmodell 

läßt sich mit der Maus drehen 

und aus unterschiedlichen Winkeln 

betrachten. Durch die Wahl verschiedener 

Transparenzgrade und Detaildarstellungen 

können Außen- und 

Innenstruktur des Herzens, die Kammer-, 

Klappen- und Hämodynamik, 

der Blutfluß, intuitiv erkundet werden. 

Als Macintosh Programme lassen sich 

die Trainingsmodule auf dem Ultraschallgerät 

CFM 800 in den Anwendungskontext 

einbinden. So kann der 

untersuchende Arzt zum Beispiel 3Dgrafische 

Visualisierungen diagnoserelevanter 

Anschnitte abrufen und typische 

Ultraschallfilme mit den aktuell 

am Patienten gewonnenen Bildern 

vergleichen. 

Das interaktive Simulationssystem 

EchoSim 

Der auffälligste Unterschied zwischen 

Anfänger und Routinier in der Echokardiographie 

besteht jedoch in der 

Souveränität, mit der der Schallkopf 

in die untersuchungsrelevanten Normpositionen 

gebracht wird. Die hierfür 

notwendige effiziente Auge-Hand- 

Steuerung kann nur praktisch eingeübt 

werden. Das Simulationssystem 

EchoSim erlaubt dem Lernenden, an 

einem Übungsmodell die Positionierungen 

zu trainieren. 

Die Steuerung des virtuellen Ultraschalls 

erfolgt durch einen realen 

Schallkopf, an dem ein Polhemus 

Fastrack befestigt ist. Dieses Eingabeinstrument 

aus dem Technikarsenal 

der Virtuellen Realität erlaubt die 

kontinuierliche Bestimmung von Ort, 

Neigung und Rotation des Schallkopfs 

zur Steuerung der grafischen Entsprechung 

in der Computerszene. Zugeordnete 

Fenster zeigen einschlägige 

Ultraschallfilme. Übergänge durch 

Schwenks und Rotationen können interaktiv 

durchgeführt werden. Außenund 

Innenansichten des schlagenden 

Herzens bieten dabei visuelle Kontrollen 

zur Positionierung des Ultraschalls. 


T I T E L 


Virtuelle Ultraschalluntersuchung im Simulator EchoSim 

Bei allen Veranschaulichungen wird 

versucht, Facetten des mentalen 

Herzmodells kardiologischer Experten 

zu erfassen. Von dieser Zielsetzung 

her bestimmt sich die Kornfeinheit 

der Modellierungen. Es wird dabei 

nicht notwendig der Realitätsanspruch 

verfolgt, wie er in anatomischen 

Darstellungen angestrebt wird 

Weiterentwicklungen 

der Trainingsumgebungen 

Um die SCENE Trainingsmodule in 

Richtung eines diagnostischen Enablingsystems 

zu erweitern, muß das 

Spektrum der Erscheinungsformen 

normaler und pathologischer Herzdetails 

einbezogen werden. Vergleichend 

werden Beispiele realer Ultraschallbilder 

und die parallelen Ansichten 

pathologischer Varianten des 3D- 

Herzmodells präsentiert werden. 

Den Pathologien zugeordnet sollen in 

Animationen Muster von Diagnoseschritten 

demonstriert werden, durch 

die bestimmte Herzkrankheiten verifiziert 

werden können. Sachlogische 

Zusammenhänge zwischen den feststellbaren 

pathologischen Details werden 

so veranschaulicht, daß sich in der 

Exploration der Trainingseinheiten 

ein mosaikartiges Verständnis des 

Krankheitstyps aufbaut. 

Die heterogenen Wissens- und Erfahrungszusammenhänge 

sollen sich zu 

einem vernetzten System diagnostischer 

Beurteilungskompetenz verbinden, 

das fallspezifisch aktiviert werden 

kann. Die technische Umsetzung 

wird durch ein hypermediales Netz 

adaptiv angebotener Orientierungen 

erfolgen. 

Die bisherigen Analysen und Entwicklungen 

zeigen, daß Trainingssysteme 

aufbauend auf interaktiven 3D- 

Szenen und Animation als Medium 

geeignet sind, zumindest einen Teil 

des schwer faßbaren Erfahrungswissens 

von Domänenexperten abzubilden 

und damit vermittel- und erfahrbar 

zu machen. Die bisherigen Evaluationen 

im Projekt SCENE waren 

als qualitative Rekonstruktionen der 

Nutzung des Enablingsystems angelegt. 

Die quantitative Absicherung 

der hier festgestellten Orientierungswirksamkeit 

komplexer multimedialer 

Vermittlungskonzepte stellt eine methodische 

Herausforderung an die 

Medienpädagogik dar, die Kriterien 

der (ökologischen) Validität und Reliabilität 

Rechnung tragen will. 

.................................... 

Dr. Gernoth Grunst ist 

im GMD-Institut für 

Angewandte Informationstechnikverantwortlich 

für die Entwicklung 

szenischer 

Unterstützungssysteme 

in der Medizin und 

leitet das Projekt 

SCENE. 

.................................... 

Thorsten Fox ist 

Geschäftsführer der 

ENTEC GmbH. 

Seine Arbeitsschwerpunkte 

liegen im 

Bereich multimediales 

Interface-Design, 

3D-Modellierung und 

Animation. 

.................................... 

Klaus-Jürgen Quast ist 


ENTEC GmbH. Seine 

Arbeitsschwerpunkte 

liegen im Bereich 3Dgrafische 

Simulation 

und Künstliche Intelligenz. 

.................................... 

Prof. Dr. Dierk A. Redel 

leitet die Abteilung für 

Kardiologie an der 

Universitätsklinik Bonn 

und arbeitet mit dem 

Projekt SCENE an der 

Entwicklung von multimedialenTrainingsundUnterstützungssystemen. 


Multimediale 

Tutorsysteme mit 

3D-Grafik und 

Animation in 

Medizin und 

Pharmakologie 

Von Thorsten Fox, 

Klaus-Jürgen Quast 

und Rainer Wieching 

Durch die Anwendung neuer Techniken 

aus den Bereichen 3D-Grafik und 

Animation können die bestehenden 

Lern- und Kommunikationsszenarien 

in der medizinischen Ausbildung verbessert 

und ein Beitrag zur Qualitätssicherung 

geleistet werden. Im Auftrag 

der Hoechst Marion Roussel 

(HMR) Pharma AG entwickelte die 

GMD-Spin-Off-Firma ENTEC in Zusammenarbeit 

mit dem GMD-Institut 

für Angewandte Informationstechnik 

ein multimediales 3D-Enabling-System 

zur Vermittlung komplexer medizinischer 

und pharmakologischer Zusammenhänge 

im Herz-Kreislauf-System, 

das das Potential der Techniken verdeutlicht. 

Die Medizin lebt von einem genauen 

Blick auf und in den menschlichen 

Körper. Entsprechende Diagnosemethoden, 

wie zum Beispiel Ultraschall, 

Röntgen oder Elektrokardiogramm 

(EKG), vermitteln jedoch lediglich ein 

unvollständiges Bild der Verhältnisse, 

deren korrekte Interpretation nur auf 

der Basis jahrelanger Erfahrung erfolgen 

kann. Eine wesentliche Rolle 

spielen hier bildhafte Vorstellungen 

über räumliche Konstellationen der 

Organe sowie das Wissen über deren 

Funktion, insbesondere bei komplexen 

Krankheitsbildern wie Herz- 

Kreislauf-Pathologien. 

Adäquate therapeutische Maßnahmen 

verlangen ein tiefgreifendes Verständnis 

über das Zusammenspiel von 

Aufbau und Funktion der Organe 

(Makroebene) einerseits und über die 

zugehörigen biochemischen Prozesse 

in den Zellen (Mikroebene) anderer- 

T I T E L 

seits. Aus diesen Gründen sind die Informations- 

und Kommunikationszenarien 

im Bereich der Medizin sehr 

komplex und vielschichtig. Die Möglichkeiten, 

wichtige räumliche und 

zeitliche Zusammenhänge darzustellen 

und zu vermitteln, sind mit den 

herkömmlichen Medien, wie beispielsweise 

dem Lehrbuch, begrenzt. 

Hier bietet sich neuerdings der Einsatz 

interaktiver Computersysteme 

mit 3D-Grafik und Animation als effizientes 

und für manche zu transportierende 

Inhalte erst adäquates Medium 

an. 

Vorarbeiten 

Grundlage des hier vorgestellten Medical-Enabling 

Systems für den Herz- 

Kreislaufbereich sind die Entwicklungen 

der Forschungsgruppe Mensch- 

Maschine-Kommunikation im Institut 


der GMD, die in Zusammenarbeit mit 

der Universitätskinderklinik Bonn 

entstanden sind. Unter dem Titel 

„szenische Trainingssysteme“ wurden 

Prototypen von multimedialen Tutorien 

und Simulationen erstellt, die das 

Potential neuer Informationstechniken 

deutlich machen. Die realisierten 

Systeme vermitteln Basiswissen, Vorstellungen 

und praktische Erfahrungen 

im Anwendungsbereich Echokardiographie, 

das heißt, für Ultraschalluntersuchungen 

des Herzens. Zur 

Vermittlung dieser kognitiv anspruchsvollen 

Inhalte wurden neue 

Visualisierungstechniken aus den Bereichen 

3D-Grafik und Virtual Reality 

eingesetzt und erfolgreich evaluiert. 

Der GMD-Spin-Off ENTEC (Gesellschaft 

für interaktive 3D-Visualisierung 

mbH) greift auf die Erfahrungen 

dieser prototypischen Entwicklungen 

zurück und entwickelt die Systeme bis 

zur Marktreife hin. 

Enabling-Systeme 

Enabling-Systeme sind computerbasierte 

Lehr-/Lern-, Informations- und 

Präsentationssysteme, die den informationsbedürftigen 

oder lernenden 

Benutzer in die Lage versetzen, einen 

Sachverhalt besser zu erfassen beziehungsweise 

schneller zu verstehen. 

Diese Leistung wird durch den zielgenauen 

Einsatz neuer Medien aus den 

Bereichen 3D-Grafik, Animation und 

Virtual Reality erreicht. Damit können 

komplexe Inhalte und Problemstellungen, 

die durch die traditionellen 

Medien wie Buch oder Film gar 

nicht oder nur unangemessen dargestellt 

werden können, eindrucksvoll 

und verstehensförderlich visualisiert 

und interaktiv erfahrbar gemacht werden. 

Enabling-Systeme leisten damit 

in der Medizin einen entscheidenden 

Beitrag zur Effizienzsteigerung von 

Lern- und Kommunikationsprozessen 

und zur Qualitätssicherung. 

Basiskonzepte 

Die medizinischen Inhalte und Vorgänge 

werden als interaktive 3D- 

Szenarien aufbereitet, die relevante 

Prozesse und Ereignisse an verschiedenen 

Orten und Zeitpunkten sowie 

auf unterschiedlich tiefen 

Verständnisebenen und mit verschiedenem 

Detaillierungsgrad darstellen. 

Das Interface unterstützt die Navigation 

des Benutzers von den Makro- in 

die Mikroebenen der Erklärungen. 

Elemente der Aufmerksamkeitssteuerung 

unterstützen die Fokussierung 

auf wichtige räumliche und zeitliche 

Vorgänge. Der Benutzer kann vordefinierte 

Ereignisse direkt oder aber 

durch seine Position im System indirekt 

initiieren. Diese Einflußnahmen 

des Benutzers pflanzen sich im System 

als Wirkungskaskade fort und 

verändern die Szenarien und Prozesse 

auf spezifische Art und Weise. 

Kognitive Analysen 

Der Ausgangspunkt bei der Realisierung 

von Enabling-Systemen in allen 

Bereichen ist die kognitive Problemanalyse. 

Ihr Ziel ist es, die Metaphern 

und Erklärungsmodelle der jeweiligen 

Experten sowie notorische Verstehensbarrieren 

bei Novizen der Domäne 

zu identifizieren. In der medizinischen 

Anwendung sind insbesondere 

räumlich und zeitlich verteilte Prozesse 

in komplexen Wirkzusammenhängen 

wichtige Aspekte, die die 

mentalen Modellvorstellungen erfolgreicher 

Experten prägen. Die kognitive 

Problemanalyse bildet die Basis 

für eine adäquate Umsetzung menschlicher 

Erklärungsmodelle in informationstechnische 

Konzepte, die das 


vorhandene Wissen erfolgreich kommunizieren 

und typische Fehlvorstellungen 

effektiv ausräumen. In der 

GMD wurde in dieser Hinsicht einschlägiges 

Know-how aufgebaut, es 

wird nun in Gemeinschaftsprojekten 

mit ENTEC weiter vertieft. 

Technik und Zielnutzer 

Die Erzeugung und Nutzung von dreidimensionalen 

Grafiken stellt hohe 

Anforderungen an die Rechenkapazität 

des Computersystems und erfordert 

nach wie vor teure Spezialhardware. 

Neuere technische Entwicklungen 

(QuickTime VR/Virtual Reality) 

ermöglichen aber die Einbindung 

von „pseudo“-interaktiver 3D-Grafik 

in Standard-Autorensysteme (Macro- 

Media Director) und stellen das damit 

verbundene mediale Potential einer 

großen Anzahl von Nutzern mit Personal 

Computern und CD-ROM 

Laufwerk plattformunabhängig zur 

Verfügung. 

Ein medizinisches Enabling-System 

kann im Selbststudium individuell genutzt 

werden und damit den medizinischen 

Lehr- und Fortbildungssektor 

ergänzen. Es kann weiterhin das obligatorische 

Patientengespräch des Arztes 

unterstützen, indem es dem Mediziner 

bei der Aufklärung der immer 

informationsbedürftiger werdenden 

Patienten hilft, also beispielsweise die 

Risiken einer Erkrankung und die 

Möglichkeiten der therapeutischen 

Behandlung verdeutlicht. Über Großbildprojektionen 

können die Medien 

auch in Präsentationssituationen vor 

einem größeren Publikum, zum Beispiel 

in Medizinvorlesungen, eingesetzt 

werden, um Vorträge zu unterstützen 

und zu vertiefen. 

Die umfassende Darstellung komplexer 

naturwissenschaftlicher Phänomene 

ist auch für die biotechnologische 

Forschung und Entwicklung, etwa 

in der Pharmazie, von Bedeutung. 

Die adäquate Präsentation von Wissensbeständen, 

die bislang nur in den 

Vorstellungen weniger Experten vorhanden 

sind, schafft eine Kommunikationsbasis 

auf der eine objektivere 

Überprüfung und Verfeinerung des 

Wissens stattfinden kann. 

T I T E L 


Loop 

Topic: Necrosis Time: 6 hours 

Simulation der Entwicklung eines Herzfinfarkts 

Anwendungsbeispiel: 

HMR Cardiovascular Academy 

Erkrankungen des Herz-Kreislauf- 

Systems sind zur Zeit mittelbar oder 

unmittelbar für etwa 50 Prozent der 

Todesfälle in den Industrienationen 

der nördlichen Hemisphäre verantwortlich. 

Entsprechend groß ist der 

Informationsbedarf über die zugrundeliegenden 

Krankheitsbilder und deren 

Therapie sowohl bei den Experten 

der Domäne (Ärzte, Pharmakolo- 

Acute Infarction 

Mean arterial Pressure 

0 37.5 75 112.5 150 

(ml) 

Enddiastolic Pressure 

0 12.5 25 37.5 50 

(mmHg) 

Ejection Fraction 

0 25 50 75 100 

(%) 

® 

TRITACE 


Closed 

Hypertrophy 

Cross-Section 

Scar 

View 

Additional 

Media 

Myocardial 

Hypertrophy 

Pressure 

Characteristics 

Enzyme Kinetics 

M-Mode-Echo 

Echocardiography 

Angiogramm 

gen und Wissenschaftler) als auch bei 

den betroffenen Patienten. 

Die HMR Cardiovascular Academy 

behandelt die Herz-Kreislauf-Erkrankungen 

Hypertonie (Bluthochdruck), 

Herzinfarkt und Herzinsuffizienz sowie 

deren pharmakologische Therapie 

mittels ACE-Hemmern (Angiotensin 

Converting Enzyme). Gemeinsam 

mit Mitarbeitern des GMD-Instituts 

für Angewandte Informationstechnik, 

Experten der pharmakologischen For- 


Quit 

Normal 

Heart 

Myocardial 

Infarction 

Help 

Explorationsszenario zum Herzinfarkt-Remodeling 

Slow 

Hypertension 

References 

Back 

Heart Failure 

Index 

Help 

Acute 

Infarction 

Remodeled 

Infarction 

ACE- 

Inhibitor 

® 

TRITACE 

Show 

Development 

Remodeled 

Infarction 

ACE-Inhibitor 

Compare

schung der Hoechst Marion Roussel 

Pharma AG und der kardiologischen 

Abteilung der Universitätsklinik Köln 

wurden zunächst kognitive Problemanalysen 

durchgeführt, die in einem 

Anforderungsprofil für das System 

mündeten; das Endresultat ist ein medizinisches 

Enabling-System auf CD- 

ROM, mit dessen Hilfe Mediziner 

und auch interessierte Laien die uns 

allen – meist nur namentlich – bekannten 

Phänomene anschaulich und 

eindrucksvoll per interaktiver 3D- 

Grafik und Simulation erfahren können. 

Die Wirkungsweisen von Herz-Kreislauf-Medikamenten 

sind komplex und 

vielfältig. ACE-Hemmer wirken auf 

struktureller Ebene sowohl an der Innenwand 

der Blutgefäße als auch in 

der Herzmuskulatur. Auf funktioneller 

Ebene bewirkt die Therapie Veränderungen 

direkt an der glatten Gefäßmuskulatur 

der Arterien (Blutdrucksenkung) 

sowie indirekt am 

Herzen (Verringerung der Arbeitsbelastung). 

Diese Effekte wirken sich in 

einer bestimmten zeitlichen Abfolge 

in Abhängigkeit vom Krankheitsstadium 

und der jeweiligen Pathologie 

im Gefäßsystem und am Herzen auf 

Zell- und Organebene aus. Die spezifischen 

Wirkungsszenarien können im 

Enabling-System umfassend erfahrbar 

gemacht und vergleichend gegenübergestellt 

werden. 

Ausgehend von der Anatomie und 

Physiologie des gesunden Herzens, 

die als Referenzszenarien in der 

HMR Cardiovascular Academy enthalten 

sind, werden die strukturellen 

und funktionellen Veränderungen bei 

den verschiedenen Herz-Kreislauf-Pathologien 

am animierten 3D-Modell 

anschaulich visualisiert und mittels 

Audio-Kommentaren erläutert sowie 

durch Zusatzmedien, wie histologische 

Schnitte oder Ultraschallfilme, 

hinterlegt. Parallel hierzu wird die 

Veränderung der relevanten medizinischen 

Parameter, wie Herzfrequenz, 

Blutdruck und Herzzeitvolumen, veranschaulicht. 

Die Abbildungen 1 und 

2 zeigen einen Ausschnitt der Herzinfarktsimulation 

aus der HMR Cardiovascular 

Academy. 

Ausblick 

T I T E L 

In vielen Bereichen auch außerhalb 

der Medizin, zum Beispiel im Ingenieurswesen, 

in der Geographie und 

in der Architektur, spielt ein genaues 

Verständnis räumlicher und auch dynamischer 

Phänomene eine Schlüsselrolle. 

Die Erforschung der kognitiven 

Mechanismen von bildhaftem und 

räumlichem Denken sowie deren 

Rolle in Lern- und Kommunikationssituationen 

ist eine wichtige Forschungsaufgabe. 

Dieses psychologische 

Phänomen hat mit interaktiver 

3D-Grafik, Animation und Virtual 

Reality ein informationstechnisches 

Pendant bekommen, das für die 

Lösung dieser Aufgabe eingesetzt 

werden kann. 

Die Realisierung von Computersystemen, 

die die genannten neuen Medien 

adäquat einsetzen, so daß sie die kognitiven 

Fähigkeiten des Menschen 

optimal unterstützen, stellt eine Herausforderung 

für die angewandte Informationstechnologie 

dar. Ähnlich 

der Rolle, die der Buchdruck für die 

Verbreitung des Lesens und Schreibens 

spielte, ist der Computer das 

Werkzeug, um relevante visuelle Informationen 

zu produzieren und auch 

vermitteln zu können. Die damit verbundene 

Anhebung des Kommunikationsniveaus 

kann im Bereich der Medizin 

die Qualität der Ausbildung und 

die Effektivität des Informationsflusses 

in der klinischen Praxis bedeutend 

verbessern. 

.................................... 

Thorsten Fox ist 


ENTEC GmbH. 

Seine Arbeitsschwerpunkte 

liegen im 

Bereich multimediales 

Interface-Design, 

3D-Modellierung und 

Animation. 

.................................... 

Klaus-Jürgen Quast ist 




liegen im Bereich 

3D-grafische Simulation 

und Künstliche 

Intelligenz. 

.................................... 

Dr. Rainer Wieching ist 




liegen im Bereich 

medizinische Grundlagen 

und Biosignalanalyse. 


Neue Wege zur 

Unterstützung 

von Diagnoseprozessen 

durch 

den Einsatz 

multimedialer 

Techniken 

Von Ute Simon 

und Manfred Berndtgen 

Unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten 

von Multimedia-Technologien in 

der medizinischen Diagnostik und 

in Diagnose-Lernsystemen (medical 

enabling) wurden in den GMD- 

Projekten Cyto und Alois erarbeitet. 

Gemeinsam ist beiden Projekten die 

interdisziplinäre Anwendung kognitionspsychologischer 

Erkenntnisse auf 

medizinische Problemstellungen, einem 

Arbeitsschwerpunkt der AbteilungMensch-Maschine-Kommunikation, 

Projektbereich SCENE, des 

GMD-Instituts für Angewandte Informationstechnik. 

Da zwei voneinander 

völlig verschiedene medizinische Gebiete 

berührt werden: mit Cyto die 

Onkologie und mit Alois die Neurologie, 

werden die Projekte getrennt vorgestellt. 

Das Projekt Cyto befaßt sich mit der 

Qualitätssicherung der gynäkologischen 

Zytodiagnostik. Die derzeitige 

zytologische Diagnostik zur Früherkennung 

von Karzinomen des Cervix 

uteri wird in der Regel von Zytologieassistenten 

in Form von lichtmikroskopischen 

Untersuchungen durchgeführt, 

in der Regel ohne weitere Gegenkontrolle 

durch einen Pathologen. 

Die prozentuale Häufigkeit, mit der 

Fehler mit dieser Art der Untersuchung 

auftreten, ist relativ hoch, 

die Schätzungen für Fehldiagnosen 

schwanken zwischen Werten von 20 

bis 40 Prozent. Dies ist angesichts des 

hohen Stichprobendurchlaufs von Abstrichen 

des Cervix uteri in dieser 

Screening-Situation nicht verwunderlich. 

T I T E L 


Zellabstrichbild eines Plattenepithelkarzinoms des Cervix uteri im Anfangsstadium 


Gesunde Intermediärzellen des Cervix uteri 

Erschwerend kommt hinzu, daß die 

Übergänge zwischen dem zytologischen 

Normalbild, anderen Krankheitsbildern 

und dem zytologischen 

Abstrichbild eines Carcinoma in situ 

(Cervixkarzinom im Anfangsstadium 

noch ohne invasives Wachstum) 

fließend sind. Dieses Phänomen spiegelt 

den funktionellen Tatbestand 

wider, der für die Entstehung eines 

Carcinoma in situ des Cervix uteri als 

typisch zu bezeichnen ist: Ein Cervixkarzinom 

kann sich nicht nur aus normalen 

Zellen über verschiedene 

Schweregrade einer Dysplasie hinweg 

entwickeln, sondern auch aus Papilloma-Virus-infizierten 

oder metapla- 

stisch veränderten Zellen. Dabei behalten 

die entarteten Krebszellen zu 

einem nicht geringen Anteil die 

Merkmale der Zellen beziehungsweise 

der pathologisch veränderten Zellen 

bei, aus denen sie sich entwickelt 

haben. Hierdurch wird eine differentielle 

Diagnostik erschwert. 

Bei Fehldiagnosen sind eigentlich nur 

falsch negative Diagnosen von wirklicher 

Bedeutung, da sich vor allem 

hier für den Patienten ernste Konsequenzen 

ergeben. Bei dieser Art von 

Fehldiagnosen handelt es sich um 

Fälle, bei denen zumindest ein Carcinoma 

in situ vorliegt, dieses jedoch im 


Abstrichbild nicht erkannt wird und 

die dazugehörige Patientin als gesund 

beurteilt wird. Da sich eine fehlerhaft 

als gesund diagnostizierte Patientin im 

Gegensatz zu einer fehlerhaft als 

krebskrank diagnostizierten Patientin 

in der Regel keinen weiteren Kontrolluntersuchungen 

unterziehen wird, 

kann die Fehldiagnose über einen langen 

Zeitraum unentdeckt bleiben und 

somit der wirkungsvollste Zeitraum 

für eine Krebstherapie – das heißt, 

das Anfangsstadium einer Krebserkrankung 

– verpaßt werden. 

Trotz dieser diagnostischen Problematik 

ist der Einsatz von modernen Informationstechnologien 

in den meisten 

Arztpraxen zur Unterstützung 

der Diagnostik bisher noch nicht üblich. 

Ein in diesem Zusammenhang 

von informatischer Seite häufig unterschätztes 

Problem ist die juristische 

Stellung automatisierter Diagnosen. 

Der medizinisch-rechtliche Status 

computerbasierter Diagnose- und 

Telekooperationssysteme ist im Gegensatz 

zu klassischen bildgebenden 

Verfahren und computergestützten 

Kassenabrechnungssystemen noch 

weitestgehend ungeklärt. Beispiele für 

die juristischen Probleme, die solche 

Hilfsmittel aufwerfen können, sind 

der Einsatz des PAPNETS-Systems, 

eines neuronalen Netzes, das eine automatische 

Erkennung von auffälligen 

Zellen anhand einfacher morphologischer 

Kriterien ermöglicht, oder von 

telepathologischen Systemen, wie 

dem HISTKOM-System. 

Diese Widerstände erfahren medizinische 

Enabling-Systeme in der Regel 

nicht. Der Ansatz hat nicht die Automatisierung 

der Diagnostik zum Ziel, 

vielmehr sollen Lernprozesse und medizinische 

(zytologische) Diagnosen 

so unterstützt werden, daß der Arzt 

beziehungsweise die Zytologieassistentin 

selbstverantwortlich handelt. 

Die Unterstützungsumgebungen reichern 

die Diagnosesituation jedoch 

um intuitive Informationen an, die bekannte 

Diagnoseprobleme absichern. 

Welche kognitiven Funktionen in den 

Lern- und Diagnoseprozessen unterstützt 

werden, ist abhängig von der 

Art der diagnostischen Problemstellung, 

beziehungsweise von den Eigenschaften 

des diagnostizierten Objekts. 

T I T E L 

Zugeordnete mentale Pathologiemodelle 

und individuelle Diagnosestrategien 

erfolgreicher Experten geben 

Vorbilder der multimedialen Illustrationen. 

Im Fall einer Diagnostik des Cervix 

uteri sind es unter biologischen 

Aspekten folgende Eigenschaften des 

Abstrichs, die dabei von entscheidender 

Bedeutung sind: die Größe, Anzahl 

und Form von Zellkernen im 

Verhältnis zum Zytoplasma, ihre 

Oberflächenstruktur, die Färbung und 

Struktur des Zytoplasmas sowie der 

Ordnungsgrad der Zellen im Gewebeverband. 

Die kognitiven Funktionen, die zum 

Erwerb von diagnostischen Klassifikationsleistungen 

anhand dieser biologischen 

Eigenschaften führen, lassen 

sich dabei unter Begriffen wie Kartengedächtnis, 

mentale Modellbildung 

und räumliches Gedächtnis zusammenfassen. 

Diese kognitiven Leistungen 

sind dabei nicht nur für die gynäkologische 

Zytodiagnostik prototypisch, 

sondern allgemein bei allen diagnostischen 

Leistungen zu finden. Typisch 

für eine erfolgreiche Zytodiagnostik 

sind jedoch zusätzlich Leistungen, 

die eher zu den Basisfunktionen 

des menschlichen Gehirns zu rechnen 

sind. Dazu gehören Blickbewegungsmechanismen 

und die Steuerung der 

selektiven Aufmerksamkeit. Neben 

der biologischen Angemessenheit der 

Illustrationen einschlägiger Pathologien 

bestimmt sich die Nützlichkeit 

eines Enabling-Systems auch über 

dessen Vollständigkeit. 

Das Enabling-System Cyto thematisiert 

alle wichtigen Verwechslungsmöglichkeiten 

in der Differentialdiagnostik 

für das Carcinoma in situ. 

Dazu gehören im wesentlichen Dysplasien 

und Metaplasien verschiedenen 

Schweregrades sowie Papilloma- 

Virus-Infektionen. Merkmale, die für 

eine differentialdiagnostische Unterscheidung 

besonders wichtig sind, 

werden in Form von grafischen 3D 

Modellen visualisiert. 

Ein wesentlicher Schritt zur Qualitätssicherung 

medizinischer Lern- und 

Unterstützungssysteme liegt in der 

Evaluation der Wirksamkeit des En- 

abling-Systems beim Einsatz in der 

Praxis. Die Überprüfung eines zytologischen 

Enablingsystems muß im 

Sinne der realen diagnostischen Zusammenarbeit 

in der Krebsfrüherkennung 

verschiedene Expertengruppen 

aus der Pathologie, Onkologie und 

Zytologie einbeziehen. Dies gilt in 

noch höherem Maß für Unterstützungsumgebungen, 

die – wie Cyto – 

auch in telepathologischen Kooperationen 

eingesetzt werden sollen. 

Eines der Kernprobleme der Telepathologie 

ist die Digitalisierung zytologischen 

Bildmaterials. Einerseits muß 

die diagnostisch erforderliche Auflösungshöhe 

des Mikroskops erreicht 

werden. Andererseits setzen der verfügbare 

Speicherplatz beziehungweise 

die Übertragungskapazität von Leitungen 

Grenzen. Neben der Orientierungswirksamkeit 

der Systeme wird 

daher in eher technischen Evaluationen 

auch die diagnostische Qualität 

von Kompressions- und Bildverarbeitungsverfahren 

bewertet, die im Rahmen 

telemedizinischer Anwendungen 

zum Einsatz kommen müssen. 

Endziel des Projekts ist die regionale 

Einbindung telemedizinischer Verfahren 

in die vorhandenen Infrastrukturen 

der Krebsvorsorge. 

Alois – Entwicklung eines 

diagnostischen Verfahrens 

Die Zielsetzung und auch das methodische 

Vorgehen ist bei Alois von 

gänzlich anderer Natur. Hier ist nicht 

die Entwicklung eines Diagnoselernsystems, 

sondern eines eigenständigen 

diagnostischen Verfahrens vorgesehen, 

das nach vollständigem Entwicklungsabschluß 

allen juristischen Richtlinien 

für die Entwicklung von medizinischen 

Diagnoseverfahren entsprechen 

wird. 

Ausgangspunkt für die Entwicklung 

eines kognitionspsychologischen Testverfahrens 

zur Erfassung von Gedächtniseinbußen 

und Verminderungen 

der kognitiven Leistungsfähigkeit 

ist die zunehmende Lebenserwartung 

in den industrialisierten Ländern, die 

in den letzten Jahrzehnten zu einer 

deutlichen Zunahme der Krankheiten 

führte, die statistisch und kausal mit 



Übersicht über einige der in Alois verwendeten Testverfahren 

einem höheren Lebensalter verbunden 

sind. Zu diesen Krankheiten 

gehört unter anderem der Formenkreis 

der dementiellen Erkrankungen 

und neurologischen Leistungseinbußen. 

Der Begriff Demenz, wie er in 

der Öffentlichkeit gebraucht wird, beschreibt 

dabei im eigentlichen Sinne 

kein eigenes Krankheitsbild, sondern 

Veränderungen im Erleben und Verhalten, 

die bei verschiedenen hirnorganischen 

Störungsbildern, zum 

Beispiel Morbus Parkinson, Multi- 

Infarkt-Demenz, reversible Demenz, 

Depression, Alzheimer-Demenz oder 

Demenz des Alzheimerformen Typs, 

gleichermaßen auftreten können. 

Das Krankheitsbild der Demenz kann 

gemäß den internationalen Diagnosekriterien 

folgendermaßen beschrieben 

werden: Verschlechterung des Kurzund 

Langzeit-Gedächtnisses, Interferenz-Störungen 

bei der Arbeit oder 

anderen sozialen Aktivitäten sowie 

mindestens eine weitere höhere kortikale 

Dysfunktion wie Verschlechterungen 

in der Abstraktions- und komplexen 

Problemlösefähigkeit, Apraxie, 

mangelnde Objektidentifikation 

trotz intakter sensorischer Funktionen 

oder Schwierigkeiten in der 

Rekonstruktion dreidimensionaler 

Objekte. 

Die Diagnose in der klinischen Praxis 

sollte üblicherweise in folgenden 

Schritten erfolgen: 

– Anamnese der Krankengeschichte 

unter besonderer Berücksichtigung 

von pharmakologisch wirksamen Substanzen, 

– Screening anhand von klinischen 

Skalen wie zum Beispiel dem Folstein 

T I T E L 

Mini-Mental Status, 

– Differentialdiagnostik 

mit neuropsychologischen 

Testbatterien wie 

zum Beispiel der Halstead-Reitan-Batterie, 

– Laborevaluation durch 

die Erhebung von sekundären 

Hirnstoffwechsel- 

Produkten. 

Das Projekt Alois setzt 

bei der neuropsychologischenDifferentialdiagnostik 

an, die von besonderer Bedeutung 

bei Patienten mit Screening- 

Werten im Normbereich ist, wie sie 

bei leichten Stadien der Demenz auftreten 

können. Außerdem ermöglichen 

sie eine diagnostische Abgrenzung 

zum Bild der klinischen Altersdepression. 

Statt jedoch wie in den meisten Kliniken 

üblich mit Papier-und-Bleistift- 

Material zu arbeiten, werden mit 

Alois verschiedene standardisierte 

Tests für kognitive Funktionen wie 

Aufmerksamkeit, Abstraktions- und 

Problemlösefähigkeit, Sprachvermögen, 

Gedächtnis sowie Wahrnehmungs- 

und visuo-konstruktive Funktionen 

rechnergestützt dargeboten, 

die Reaktionen der Patienten über 

Maus- und Tastaturbedienung automatisch 

erfaßt und statistisch ausgewertet. 

Der Einsatz von Multimedia-Technologien 

ist für die Art der eingesetzten 

Aufgaben wesentlich. Die meisten 

kognitiven Funktionstests setzen 

ihren diagnostischen Schwerpunkt 

und damit auch die dargebotenen 

Aufgaben auf kognitive Funktionsbereiche, 

die eng mit dem Verbalisierungsvermögen 

von Patienten verbunden 

sind, während mit Alois verstärkt 

nonverbale kognitive Fähigkeiten 

wie räumliches Vorstellungsvermögen, 

Objekterkennung, visuelles Gedächtnis, 

logisches Denken und Konzentrationsfähigkeit 

geprüft werden 

sollen. 

Der Einsatz von aktuellen Multimedia-Technologien 

geschieht daher 

nicht aus einem informationstechnischen 

Interesse, sondern ist durch 

differentialdiagnostische Ergebnisse 

bei Untersuchungen von Demenzkranken 

begründet. Diese sind zwar 

widerprüchlich, lassen jedoch den 

Schluß zu, daß den Bereichen Visuomotorik, 

räumliches Vorstellungsvermögen, 

visuelles Gedächtnis und Objektidentifikation 

in Abgrenzung zu 

sprachgebundenen Funktionen eine 

kritische Bedeutung bei der Differentialdiagnostik 

der Demenz zukommt. 

Geplant ist ein direkter Einsatz des 

Diagnosesystems Alois an Patienten 

in neurologischen und gerontopsychiatrischen 

Einrichtungen. Anhand 

einer hinreichend großen Patientenstichprobe 

und in Kombination mit 

anderen medizinischen und biologischen 

Daten werden in der letzten 

Projektphase statistisch Reliabiliät 

und Validität bestimmt werden. 

.................................... 

Dipl.-Biol., Dipl.-Psych. 

Ute Simon ist Wissenschaftlerin 

im GMD- 

Institut für AngewandteInformationstechnik. 

Sie arbeitet 

im Bereich Mensch- 

Maschine-Kommunikation 

des Instituts 

auf dem Gebiet der 

biomedizinischen 

Diagnostik. 

.................................... 

Dipl.-Inform. Manfred 

Berndtgen ist Wissenschaftler 

im GMD- 

Institut für AngewandteInformationstechnik. 

Er arbeitet 

im Bereich Mensch- 

Maschine-Kommunikation 

auf dem Gebiet 

der medizinischen 

Bildverarbeitung. 



der Zukunft 


Informations- und Kommunikationstechniken 

werden in den kommenden 

Jahren auch in der Medizin deutliche 

Veränderungen hervorrufen. Im Gegensatz 

zur bisherigen Entwicklung 

betrifft das nicht nur die sogenannte 

Hochleistungsmedizin, sondern immer 

mehr jede Patientenbehandlung. 

Die Herausforderung in dieser Situation 

besteht darin, die Technologie 

nicht in den Mittelpunkt zu rücken, 

sondern dem Nutzen von Patienten 

und Ärzten unterzuordnen. 

Das Konzept eines Befähigungssystems 

(enabling system) wird dazu 

beitragen, den Mediziner bei einer 

Reihe von Tätigkeiten zu unterstützen, 

so beispielsweise bei der Fortbildung, 

bei der Diagnose, bei Konsultationen 

oder bei der Aufklärung des 

Patienten. Befähigungssysteme sind 

weder reine Werkzeuge noch Automatismen, 

sondern sie bieten abge- 

T I T E L 

stimmt auf die Situation und die kognitiven 

Anforderungen des Mediziners 

Informations- und Trainingseinheiten 

an, die den Mediziner oder Patienten 

befähigen, die aktuelle Situation und 

ähnliche Situationen in der Zukunft 

zu beherrschen. Eine wesentliche 

Rolle spielt dabei die Orientierung: 

die Zusammenstellung und Veranschaulichung 

relevanter Informationen 

in Form einer zusammenhängenden 

Szene. 

Die Unterordnung der Technologie 

unter die situativen Anforderungen 

wird besonders deutlich in dem Projekt 

SCENE, in dem das GMD-Institut 


den Behandlungsraum der Zukunft 

skizziert. Dieser Behandlungsraum 

rückt den Patienten in den Mittelpunkt 

des Geschehens. Die notwendigen 

technischen Medien sind integriert, 

aber soweit wie möglich verborgen. 

Ringsherum an den Wänden 

unterstützt ein Befähigungssystem 

Arzt und Patient als gemeinsame Orientierung. 

Der ganze Raum wird zu 

einer szenischen Situation, die sowohl 

die Wissenserweiterung als auch die 

Kommunikation unterstützt. 

Der Behandlungsraum SIGMA dient 

als Bühne, um typische Unterstützungssituationen 

und die dafür vorstellbaren 

Lösungen zu demonstrieren. 

Verschiedene Lösungen aus der 

GMD-Arbeit werden in einem gemeinsamen 

Kontext sichtbar gemacht: 

von kardiologischen Trainingssystemen 

zu dreidimensionaler Bildgebung, 

von animierten dreidimensionalen 

Herzmodellen zu Telekonsultationen, 

von medizinischen Online-Systemen 

zur Veranschaulichung von 

Krankheitsbildern und Medikamentenwirkungen. 


Im Behandlungsraum steht die Liege 

für den Patienten im Mittelpunkt. Neben 

dieser Liege haben der Arzt und 

seine direkt benötigten medizinischen 

Geräte, zum Beispiel ein Ultraschallgerät, 

Platz. Darüber hinaus ist aber 

kein Gerät zu sehen, das wie ein Personal 

Computer aussieht. Stattdessen 

kann der Arzt die Wände als Darstellungsmedium 

benutzen. Dort erscheinen 

Patientendaten, Bilddaten, Vergleichswerte, 

animierte Visualisierun- 




gen, Simulationen, Videobilder von 

Konsultationspartnern und Fachinformationen 

aus Online-Diensten. Wenn 

die Darstellungsflächen nicht gebraucht 

werden, zeigen sie neutrale 

Hintergründe oder Kunstobjekte. 

Der Arzt steuert diese Darstellungen 

von seinem medizinischen Gerät aus, 

mit Hilfe eines Zeigegeräts (Lichtzeiger) 

oder mit Hilfe eines stiftbasierten 

Anzeige- und Eingabetabletts (pen 

pad). Die lokalen Anzeigen im medizinischen 

Gerät und im Eingabetablett 

dienen auch zur Anzeige von 

Daten, die kein anderer Anwesender 

sehen soll. 

Die Wandanzeigen dienen zum einen 

als Kontext und Orientierung für den 

Arzt, der alle wesentlichen Informationen 

und Zusammenhänge gemeinsam 

als Hintergrundinformation zur 

Diagnose zur Verfügung hat. Gleichzeitig 

kann er diese Anzeigen auch 

zur Aufklärung und Unterrichtung 

des Patienten verwenden. Spezielle 

Veranschaulichungen bestimmter Pathologien 

können bereits auf die 

Situation des Patienten und die damit 

verbundenen Informationsbedürfnisse 

zugeschnitten sein. 

Diagnoseunterstützung 

Die vielfältigen Anzeigen dienen dem 

Arzt dazu, die Gesamtsituation des 

Patienten abzubilden und so eine Orientierung 

für die Diagnosefindung zu 

bieten. Abgestimmt auf die Situation 

kann er den Verlauf der Bildaufnahme 

kontrollieren, Vergleichsbilder abrufen, 

Online-Dienste konsultieren 

oder sich Diagnoseschritte vorführen 

lassen. 

Nehmen wir an, ein Jugendlicher mit 

einem schon lange behandelten angeborenen 

Herzfehler kommt zur Routineuntersuchung 

zu seiner Ärztin – 

einer niedergelassenen Kardiologin 

vielleicht. Als erste Aufgabe muß die 

Ärztin die wichtigsten Punkte aus der 

vorhergehenden Behandlung rekapitulieren. 

Zu diesem Zweck hat das 

Praxispersonal die Patientenakte aus 

dem elektronischen Archiv geholt und 

T I T E L 


auf dem virtuellen Schreibtisch verfügbar 

gemacht. Um das komplette 

Durchblättern zu ersparen, werden 

die wichtigsten Punkte der Patientenvergangenheit 

in einer grafischen 

Übersichtsdarstellung präsentiert. Diese 

Darstellung wird zum Teil automatisch 

erzeugt, das Praxispersonal kann 

sie aber aufgrund ihrer eigenen Kompetenz 

noch verändern, um die Darstellung 

so gut wie möglich auf den 

Zweck der Untersuchung zu fokussieren. 

Solcherart effektiv „ins Bild gesetzt“, 

kann die Ärztin bald mit einer gezielten 

Ultraschalluntersuchung des Herzens 

beginnen. Um eine Aufzeichnung 

des Zustandes zu erlangen, wird 

eine dreidimensionale Schichtaufnahme 

angefertigt. Da es schwierig ist, 

sich in diesem sogenannten Volumendatensatz 

zurechtzufinden, wird passend 

dazu ein angepaßtes dreidimensionales 

Modell des schlagenden Herzens 

angezeigt, das intuitiv angibt, 

welcher Ausschnitt des Herzens gerade 

angeschaut wird. 

Zum Vergleich kann parallel die Aufnahme 

der vorherigen Untersuchung 

verglichen werden, um die Entwicklung 

beurteilen zu können. 

Da die Anomalie bei der früheren Behandlung 

nicht vollständig beseitigt 

Apikaler Vierkammerblick 

Aufsetzposition und Angulation 

Schallkopf mit dem Zeigefinger 

auf der Kerbe greifen... 

...und im 5. Interkostalraum 

aufsetzen. 

(Bei Kindern eventuell auch im 4.) 

Orientierung an der Diagonale: 

linke Hüfte -> rechte Schulter. 

Zum Anfang 

Sehen Sie sich die Positionierungsschritte bitte an. 

Echo Tutor 

StartmenŸ Pause 

Illustration eines Tutormoduls 

werden konnte, obwohl der Patient 

keine Beschwerden hat, möchte die 

Ärztin sich vergewissern, ob der vorliegende 

Fall vorbeugend operiert 

werden sollte oder nicht. Dazu ruft sie 

aus einem medizinischen Online- 

Dienst Informationen zur konkreten 

Fehlbildung ab. Der Online-Dienst 

bietet verschiedene Beispielfälle an 

und nennt Kriterien, die für die Folgebehandlung 

relevant sind. Die einzelnen 

Fälle können sowohl in Form von 

Ultraschallbildern als auch von grafischen 

Modellen beschrieben werden, 

zur Verifikation werden weitere 

Meßverfahren und Untersuchungsschritte 

vorgeschlagen. 

Die Ärztin entschließt sich aufgrund 

dieser Information, einen Meßwert 

zur speziellen Pumpleistung des Herzens 

zu erheben. Da sie eine solche 

Messung lange nicht mehr durchgeführt 

hat, ruft sie aus dem Online- 

Dienst ein multimediales Tutorium 

ab, das die notwendigen Schritte animiert 

vormacht und ihr gleichzeitig 

die Durchführung am Patienten ermöglicht. 

Das Tutorium weist auf erfahrungsgemäß 

kritische Schritte hin, 

die für die Genauigkeit der Messung 

entscheidend sind. Damit wird verhindert, 

daß ein ungenau erhobener Wert 

später zu einer falschen Entscheidung 

führt. 


T I T E L 


Auswahlangebot für passende Medikamente 

Im Vergleich mit einer Normwerttabelle 

erkennt die Ärztin, daß der 

Wert an der unteren Grenze, aber 

noch im Normalbereich liegt. Auf 

Kommando werden das Ultraschallbild 

und der Meßwert in die Patientenakte 

übernommen, über ein 

Spracherkennungssystem wird die 

Diagnose diktiert. Diese Aufzeichnungen 

werden dann anschließend 

vom Praxispersonal elektronisch weiterbearbeitet, 

zum Beispiel zur Kassenabrechnung 

und zur Information 

des Hausarztes. Die Arbeitsteilung 

und Zusammenarbeit in der Praxis 

werden nicht wesentlich verändert, 

die Übermittlung der Information innerhalb 

und außerhalb der Praxis erfolgt 

aber immer elektronisch. 

Zur Prophylaxe soll der Patient ein 

neues Medikament erhalten. Aus den 

wesentlichen Befunddaten sucht der 

Online-Dienst aus einer Datenbank 

eine Anzahl passender Medikamente 

mit allen Informationen heraus. Die 

Ärztin kann nun diese Auswahl unter 

verschiedenen Gesichtspunkten, zum 

Beispiel Verträglichkeit, Verabreichungsform, 

Packungsgröße, Preis, im 

Gespräch mit dem Patienten das geeignete 

Produkt heraussuchen und 

verschreiben. 

Aufklärung des Patienten 

Viele Patienten möchten gerne besser 

über ihren Zustand informiert sein. 

Ein genaues Verständnis des Krankheitsbildes 

ist oft sehr wichtig für eine 

erfolgreiche Behandlung. Der Patient 

kann an der Wand des Behandlungs- 

raums einerseits den Verlauf der Untersuchung 

mitverfolgen, zum Beispiel 

anhand von Ultraschallbildern mit 

automatisch eingeblendeten Modellvisualisierungen, 

andererseits vom 

Arzt über konkrete Diagnosen und 

Therapien informiert werden, zum 

Beispiel anhand von Markierungen in 

Bildern, Vergleichsbildern oder Visualisierungen 

von Operationsmethoden 

und Medikamentenwirkungen. 

In unserem Beispiel hat der Patient – 

als alter Hase – bereits aufmerksam 

das Ultraschallbild verfolgt und sogar, 

dank der Modellunterstützung, ein 

paar Einzelheiten erkannt. Die Ärztin 

kann ihm anschließend aber anhand 

des elektronischen Herzmodells ganz 

genau zeigen, in welcher Form sein 

Herz von einem normalen Herzen ab- 


T I T E L 


Modifikation des Modellherzens 


Telekommunikationsszenario 

weicht. Dazu modifiziert sie an einer 

Stelle interaktiv das Modellherz und 

stellt so den geänderten Blutfluß und 

die geänderten Druckverhältnisse dar. 

Das Ergebnis kann sich der Patient 

von allen Seiten, von innen und von 

außen ansehen. 

Auch aus dem Ultraschalldatensatz 

können dreidimensionale Ansichten 

der Problemstelle aus bestimmten 

Blickwinkeln generiert werden. Diese 

Ansichtspunkte werden im Modell 

ausgewählt und dann mit dem Patientenbild 

berechnet. Nach der Vororientierung 

durch das Modell kann der 

Patient die Fehlbildung selbst identifizieren. 

Zur erfolgreichen Medikation kann 

der Wirkungsmechanismus des Medikaments 

ebenfalls anhand von animierten 

dreidimensionalen Modellwelten 

veranschaulicht werden. Effekte 

von Unter- und Überdosierung sowie 

Langfristwirkung und Dosierungsverlauf 

werden angezeigt. Solche 

Veranschaulichungen werden vom 

Pharmahersteller bereitgestellt, der 

damit seine Verantwortung für Arzt 

und Patient beweist. 

Konsultation 

In Abwesenheit des Patienten kann 

der Arzt über Telekonsultation eine 

zweite Meinung einholen oder den 

Befund zur Behandlung weitergeben 

– zum Beispiel von Kardiologe zu 

Chirurg. Die dargestellten Informationen 

stehen dabei beiden Seiten zur 

Verfügung, gleichzeitig existiert eine 

Konferenzschaltung. Mit einem Zeigegerät 

kann der Arzt Dinge hervorheben. 

Mit anwesenden Kollegen 

kann eine solche Konsultation auch 

innerhalb des Raumes stattfinden. 

In unserem Beispiel möchte die Ärztin 

den Fall doch noch einmal mit einem 

Spezialisten und einem Herzchirurgen 

diskutieren. Ausgehend von 

den aktuellen Falldaten kann sie die 

Ultraschalldaten, Meßwerte, das modifizierte 

Modell und relevante Ansichten 

des Ultraschallbildes zusammen 

mit gesprochenen Kommentaren 

an eine Kollegin im nahegelegenen 

Herzzentrum schicken. Die Kollegin 

kann sich anhand der Zusammenstel- 



Ansicht eines dreidimensionalen 

Ultraschalldatensatzes 

lung ein erstes Bild machen. Sie führt 

jedoch am Nachmittag noch eine 

Rückfrage durch, meldet sich über 

Videokonferenz und erläutert anhand 

der im Raum sichtbaren Bilder ihre 

Meinung. 

In gleicher Weise wird anschließend 

ein entfernt arbeitender Chirurg kontaktiert. 

Der Chirurg ist kein Experte 

in der Interpretation von Ultraschallbildern, 

kann sich aber anhand der 

Modelle ein anschauliches Bild vom 

Zustand des Patienten machen und 

ebenfalls anhand der Bilder demonstrieren, 

warum eine Operation im 

Moment nicht sinnvoll ist. Wäre eine 

Operation nötig, könnte er anhand 

der Modelle und der Ultraschallbilder 

die Operation bereits in Einzelheiten 

planen und vorbereiten, so daß in einem 

Notfall direkt nach dem Eintreffen 

des Patienten mit der Behandlung 

begonnen werden könnte. 

.................................... 








CardiAssist. 

T I T E L 

Virtual Eye – 

Simulation 

physiologischer 

Optik im menschlichen 

Auge 

Von Sina Mostafawy 

Die Visualisierung der optischen Vorgänge 

im menschlichen Auge wird 

durch ein neues Verfahren möglich, 

das vom GMD-Institut für Medienkommunikation 

gemeinsam mit dem 

Laserforum Köln GmbH entwickelt 

wurde. Modelle aus der physikalischen 

Optik in Verbindung mit Verfahren 

und Algorithmen aus der 

Computergrafik werden für die Rekonstruktion 

eines Augenmodells benutzt. 

Die berechneten Bilder durch 

das Augenmodell entsprechen den auf 

die Netzhaut projizierten Abbildungen. 

Wichtige optische Komponenten 

des Auges, wie Linse, Hornhaut, Pupille, 

werden durch ein Linsensystem 

im Computer simuliert. Das System 

berechnet ein Bild von einer beliebigen 

dreidimensionalen Szene, zunächst 

aus der Sicht eines gesunden 

Auges. Das Programm ist in der Lage, 

Effekte wie Akkommodation oder 

Änderung der Pupillenweite zu simulieren. 

Dem Augenmodell können 

verschiedene Krankheitsbilder und 

Fehlsichtigkeiten, etwa Kurz- oder 

Weitsichtigkeit sowie Astigmatismus, 

zugeordnet werden. 

Das virtuelle Auge zeigt ein Bild, welches 

ein Patient mit einer entsprechenden 

Sehschwäche sehen würde. 

Aufgrund des Krankheitsbildes können 

Vorschläge für eine Behandlungsmethode 

gemacht und diese am Computer 

simuliert werden. Dabei können 

sowohl einfache Modelle, wie die Verschreibung 

einer Brille, als auch neue 

chirurgische Verfahren, wie eine Laserbehandlung, 

eingesetzt werden. 

Die berechneten Bilder zeigen die zu 

erwartenden Ergebnisse nach einer 

solchen Behandlung. 

Basierend auf den aktuellen Forschungsprojekten 

im Bereich der Refraktiven 

Chirurgie können eine bessere 

Planung und Prognosen bei bestimmten 

Verfahren erzielt werden. 

Die Visualisierung der Netzhautbilder 

führt zum besseren Verständnis bei 

Studenten und auszubildenden Ärzten 

und dient ebenfalls als Aufklärung 

für Patienten. 

Simulation des Auges 

In der medizinischen Optik ist Ray 

Tracing ein bekanntes mathematisches 

Modell für die Simulation optischer 

Aberrationen beliebiger Linsen. 

Das Verfahren wird häufig für die Beurteilung 

der optischen Eigenschaften 

eines solchen Linsensystems eingesetzt. 

Typischerweise werden Strahlen 

von der Objektebene durch das Linsensystem 

in die Bildebene verfolgt. 

Die Lage der Bildpunkte gibt Aufschluß 

über die Brechungseigenschaften 

der verwendeten Optik. Aus diesen 

Informationen werden Kurven 

und Statistiken berechnet, die Aussagen 

über die Qualität der Linsen erlauben. 

Bisher wurden diese Methoden 

jedoch nicht benutzt, um die 

tatsächliche Projektion auf der Bildebene 

zu visualisieren. 

In der Computergrafik ist Ray Tracing 

eine Methode zur Erzeugung fotorealistischer 

Bilder aus einer dreidimensionalen 

virtuellen Szene. Lichtstrahlen 

werden verfolgt und ihre Wechselwirkung 

mit den in der Szene befindlichen 

Objekten untersucht. Sehr viele 

Arbeiten auf diesem Gebiet befassen 

sich mit der realistischen Darstellung 

der Lichtausbreitung im Raum. Andere 

haben sich mehr mit der realistischen 

Simulation optischer Effekte 

auseinandergesetzt. So werden in der 

wissenschaftlichen Literatur beispielsweise 

Effekte wie Tiefenschärfe vorgestellt 

oder in einem Kameramodell 

sowohl optische Aberrationen als 

auch der Einfluß von Belichtungsdauer 

auf Bilder präsentiert. 

Dennoch gibt es unseres Wissens kein 

System, das ein menschliches Auge 

derart simuliert, daß man die Projektion 

einer dreidimensionalen Szene 

auf der Netzhaut unter bestimmten 

optischen Bedingungen sieht. Die 


Motivation dieser Arbeit besteht darin, 

zwei weit entwickelte wissenschaftliche 

Methoden in einer Form zu 

kombinieren, die eine solche Simulation 

erlaubt. 

Das Auge 

Anatomie 

Das Auge ist eine fast kugelförmige, 

24 Millimeter tiefe und etwa 22 Millimeter 

breite, gallertartige Masse, die 

innerhalb einer widerstandsfähigen 

Hülle eingeschlossen ist. Bis auf 

den vorderen Teil, der transparenten 

Hornhaut, ist sie lichtundurchlässig. 

Die Hornhaut ist das erste und stärkste 

Konvex-Element des Linsensystems. 

Der größte Teil der Ablenkung 

eines Strahlenbündels findet an der 

Luft-Hornhaut-Grundfläche statt. Danach 

wird das Licht durch die Pupille 

gebündelt, die als Blende wirkt und 

die einfallende Lichtmenge reguliert. 

Dahinter befindet sich die Linse, die 

im Gegensatz zu künstlichen Linsen 

verformbar ist und dadurch eine variable 

Brennweite hat. Den Vorgang 

der Feineinstellung nennt man Akkommodation. 

Das einfallende Licht 

trifft auf die Netzhaut, die lichtempfindliche 

Zellen enthält, welche die 

Information zum Gehirn weiterleiten. 

Fehlsichtigkeit 

Wir unterscheiden drei Hauptformen 

der Fehlsichtigkeit, die Kurzsichtigkeit 

(Myopie), die Weitsichtigkeit 

(Hyperopie) und den Astigmatismus. 

Kurzsichtigkeit ist der Zustand, bei 

dem parallele Strahlen vor der Netzhaut 

gebündelt werden. Die Brechkraft 

des Linsensystems ist zu stark 

für die Axiallänge vom vorderen bis 

zum hinteren Punkt des Auges. Dies 

kann unter verschiedenen Umständen 

eintreten: das Auge könnte länger 

werden, obwohl seine Brechkraft normal 

bleibt, oder die Hornhaut könnte 

sich stärker krümmen. 

Weitsichtigkeit ist eine Fehlsichtigkeit, 

deren Ursache darin liegt, daß 

der zweite Brennpunkt des nichtakkomodierten 

Auges hinter der Netzhaut 

liegt. Sie ist oft die Folge einer Ver- 

T I T E L 

kürzung der Axiallänge 

des Auges, die Linse befindet 

sich zu nah an der 

Netzhaut. 

Ein anderer Augenfehler 

ist der Astigmatismus. 

Er stammt von einer 

ungleichen Krümmung 

der Hornhaut. Mit 

anderen Worten, die 

Hornhaut 

ist asymmetrisch. Dieser 

Fehler hat eine Verzerrung 

des Bildes zur Folge, 

so daß ein Punkt beispielsweise 

als kleiner 

Strich abgebildet wird. 

Methoden zur Korrektur 

Die Fehlsichtigkeit kann auf verschiedene 

Weise korrigiert werden. Konventionelle 

Methoden sind Brillen 

oder Kontaktlinsen. Neben diesen bewährten 

Methoden zur Korrektur gibt 

es seit einigen Jahren operative Verfahren 

mit Hilfe des Lasers. Die photorefraktive 

Keratektomie wird mit 

einem Excimer Laser meistens an 

kurzsichtigen Patienten durchgeführt. 

Dabei werden feinste Gewebeschichten 

berührungslos abgedampft. Durch 

die Behandlung wird das Zentrum der 

Hornhaut flacher, die Brechkraft wird 

soweit verringert, bis die Lichtstrahlen 

wieder auf der Netzhaut gebündelt 

werden. 

Eine wichtige Frage bei der photorefraktiven 

Keratektomie ist die Wahl 

des Durchmessers der optischen Zone 

für den Eingriff. Das hängt von vielen 

Faktoren wie dem Grad der Kurzsichtigkeit 

oder sogar dem Beruf des Patienten 

ab. Wenn der Patient nachts 

beruflich tätig ist, wählt man eine 

große Zone, etwa sechs bis sieben 

Millimeter, da die Pupille in der Dunkelheit 

bis zu acht Millimeter Durchmesser 

haben kann, und somit Strahlen 

durch eine unbehandelte Zone gehen 

würden. Auf der anderen Seite 

hat die Wahl des Durchmessers Einfluß 

auf die Tiefe der Behandlung. Eine 

zu tiefe Abtragung könnte zu 

Stabilitätsproblemen der Hornhaut 

führen. 


Augenpunkt 

Ray Tracing 

Bildebene 

Es ergeben sich bei der Korrektur der 

Fehlsichtigkeit viele Fragen, die durch 

eine Simulation im Computer besser 

behandelt werden können. 

Methoden 

Ray Tracing 

Reflexion 

Transparent 

Ein wichtiges Teilgebiet der Computergrafik 

ist die realistische Darstellung 

einer dreidimensionalen Szene 

auf einem zweidimensionalen Ausgabemedium. 

Ray Tracing ist eines der 

Verfahren für die fotorealistische Bilderzeugung. 

Dazu werden ein Projektionszentrum 

(Augenpunkt) und eine 

Bildebene gewählt. Für jeden Bildpunkt 

wird ein Strahl vom Augenpunkt 

aus erzeugt und durch die 

Szene verfolgt. Falls dieser Strahl ein 

Objekt in der Szene trifft, bekommt 

der dazugehörige Bildpunkt die berechnete 

Farbe des Objektes in Abhängigkeit 

von den Lichtquellen. 

Der Vorteil einer solchen Strahlenverfolgung 

ist, daß Spiegelungen und 

Brechungen physikalisch korrekt simuliert 

werden können. Mit Hilfe der 

Gesetze der geometrischen Optik 

werden spiegelnde Oberflächen oder 

transparente Objekte mit beliebigem 

Brechungsindex dargestellt. Für die 

realistische Simulation eines Linsensystems 

ist allerdings die Verfolgung 

eines Sichtstrahls aus der Bildebene 

nicht ausreichend, da Effekte wie Tiefenschärfe 

oder Fokussierung damit 

nicht erzeugt werden können. 


Simulation eines Linsensystems 

Für die Simulation eines optischen Systems 

werden von jedem Bildpunkt 

mehrere Strahlen durch das Linsensystem 

geschickt. Die Linsen werden 

durch meist sphärische Objekte mit 

entsprechendem Brechungsindex präsentiert. 

Die Strahlen werden gleichmäßig 

auf die Oberfläche der Linse 

ausgestreut, an dieser gebrochen und 

T I T E L 


optische Zone 

Hornhaut 

Optische Zonen der photorefraktiven Keratektomie 

behandelte Zonen 

in die Szene verfolgt. Strahlen, die 

sich nach dem Durchgang durch das 

optische System an einem Punkt auf 

der Oberfläche eines Objektes treffen, 

bilden diesen Punkt scharf auf 

der Bildebene ab. Dagegen wird ein 

Objekt, welches nicht in der Brennebene 

des Linsensystems liegt, von den 

Strahlen an jeweils verschiedenen 

Punkten getroffen und unscharf abgebildet. 

Simulation eines Auges 

Das Auge ist, vereinfacht betrachtet, 

ein Linsensystem, bestehend aus mehreren 

sphärischen Konvex-Linsen. 

Wir benutzen das Gullstrand-Augenmodell 

aus der medizinischen Optik, 

das eine gute Approximation für die 

optischen Verhältnisse im Auge ist. 

Die Strahlen werden von der Netzhaut 

auf die Linse verteilt, werden 

durch die Pupille gebündelt und gehen 

durch beide Schichten der Hornhaut. 

Alle Abstände und Größen können 

derart verändert werden, daß eine 

Simulation von Akkommodation, Pupillenverengung 

und Fehlsichtigkeit 

ermöglicht wird. Zusätzliche Linsen 

können eingefügt werden, um Brillen, 

Kontaktlinsen oder Intraokularlinsen 

zu simulieren. 


Simulation der Akkomodation 

a) nah 

Myopes Auge bei einer Pupille von 5 Millimetern 

d) – 3 Dioptrien e) – 6 Dioptrien f) – 8 Dioptrien 

Simulation des gesunden und myopen Auges 

b) mittel c) fern 

46 Der GMD-Spiegel 2/3 – 1996 

r 

x 

y

T I T E L 


a) Normales Auge mit 5 Millimeter 

Pupillendurchmesser 

Simulation der Akkommodation 

c) Nach Laserbehandlung mit einer 

optischen Zone von 3 Millimetern 

Simulation der photorefraktiven 

Keratektomie-Laseroperation 

Durch die photorefraktive Keratektomie 

erhält die Hornhaut eine ortsabhängige 

Brechkraft. Die behandelte 

Zone unterscheidet sich in der Brechkraft 

gegenüber der unbehandelten 

Zone durch die Krümmung. Da wir 

beliebig viele refraktive Oberflächen 

in das System eingliedern können, 

sind wir in der Lage, eine Hornhaut 

zu modellieren, die einer Hornhaut 

nach der Laserbehandlung in ihren 

optischen Eigenschaften sehr nahekommt. 

Wenn die Strahlen die Innenseite der 

Hornhaut treffen, können wir die Position 

des Treffpunktes ermitteln und 

somit erfahren, in welcher optischen 

Zone sich der Strahl befindet. Mit dieser 

Methode können wir die photore- 

b) Myopes Auge (– 6 Dioptrien) 

Simulation einer photorefraktiven Keratektomie-Laserbehandlung 

d) Klares Netzhautbild bei einer optischen 

Zone von 5 Millimetern 

fraktive Keratektomie-Operation mit 

beliebigem optischen Durchmesser 

durchführen. Durch eine Verschiebung 

der optischen Zone in x- oder y- 

Richtung sind wir in der Lage, eine 

dezentrierte photorefraktive Keratektomie 

zu simulieren. Auch andere 

operative Techniken, wie mehrere 

Übergangszonen für hochgradig kurzsichtige 

Patienten, können in ihrer 

Wirkung untersucht werden. 

Ergebnisse 

Zunächst haben wir die Akkommodation 

mit dem virtuellem Auge simuliert. 

Hierbei wählten wir eine Szene 

mit Objekten in verschiedenen Distanzen 

zum Auge und fokussierten 

das System auf diese. In Abbildung 3 

(a bis c) sehen wir die berechneten 

Bilder mit drei Linseneinstellungen. 

Sowohl für die Feineinstellung der 

Linse als auch für alle anderen optischen 

und operativen Einstellungen 

benutzen wir die einfach zu bedienende 

Benutzeroberfläche. 

Abbildung 3 (d bis f) zeigt dieselbe 

Szene, gesehen durch ein Auge mit 

unterschiedlichen Kurzsichtigkeiten 

von -3 Dioptrien, -6 Dioptrien und -8 

Dioptrien. In Abbildung 4 sind die 

Ergebnisse einer Laserbehandlung visualisiert. 

Zunächst ein gesundes Auge 

in Abbildung 4a, um die späteren 

Ergebnisse der photorefraktiven Keratektomie 

mit dem Optimalbild vergleichen 

zu können. Das Auge wurde 

mit -6 Dioptrien simuliert (Abbildung 

4b), um dann mit verschiedenen optischen 

Zonen operiert zu werden. 

Klare Netzhautbilder erzielen wir mit 

einem Durchmesser der optischen 

Zone von 4,5 Millimetern und mehr 

(Abbildung 4d). Diese Ergebnisse 

stimmen mit den klinischen Erfahrungen 

überein. Wir sehen in Abbildung 

4c, was Patienten mit einer zu kleinen 

optischen Zone sehen. Da sehr viele 

Lichtstrahlen mit einer Pupille von 5 

Millimetern durch die unbehandelte 

Zone gehen, ist das Bild einerseits unschärfer, 

weil sich die Strahlen vor der 

Netzhaut treffen, und andererseits 

entstehen Doppelbilder aus der Überlagerung 

der korrigierten und unkorrigierten 

Zonen. 

.................................... 

Sina Mostafawy ist 

wissenschaftlicher Mitarbeiter 

in der Gruppe 

„Visualization and 

Media Systems 

Design“ des GMD- 

Instituts für Medienkommunikation. 

Seine 


liegen im Bereich der 

medizinischen Visualisierung. 


Adaptive Systemgestaltung 

für 

behinderte 

Computerbenutzer 

mit Spezialanforderungen 

Von Josef Fink, Andreas Nill 

und Michael Pieper 

Benutzer von Computersystemen sind 

sehr heterogen, etwa in bezug auf ihre 

Interessen, Präferenzen oder ihr Wissen. 

Gefordert werden daher Computersysteme, 

die an den jeweiligen Benutzer 

individuell anpaßbar sind. Dies 

kann dabei entweder durch den Benutzer 

selbst erfolgen (Adaptierbarkeit) 

oder automatisch durch das System 

(Adaptivität). Eine wichtige 

Zielgruppe von Computerbenutzern 

mit Spezialanforderungen sind ältere 

und behinderte Menschen. In Europa 

beläuft sich die Anzahl dieser Bevölkerungsgruppe 

auf 150 Millionen. Allein 

in Deutschland sind 6,4 Millionen 

Menschen schwerbehindert. Da körperliche 

Beeinträchtigungen altersbedingt 

zunehmen, steigt der Anteil Behinderter 

an der Gesamtbevölkerung 

bei einer sich ständig erhöhenden Lebenserwartung 

überproportional. 

In diesem Zusammenhang eröffnet 

gerade die Anpaßbarkeit computergestützter 

Informations- und Kommunikationssysteme 

vielfältige Möglichkeiten, 

behinderten und älteren Menschen 

trotz ihrer körperlichen Beeinträchtigungen 

weiterhin ein selbstbestimmtes 

Leben und eine gleichberechtigte 

Teilnahme an den gesellschaftlichen 

und wirtschaftlichen Tätigkeiten 

der Gemeinschaft, in der sie 

leben, zu ermöglichen. So kann vor 

allem die häufig eingeschränkte räumliche 

Mobilität Behinderter, die so- 

T I T E L 


File Edit View Go Bookmarks Options Directory 

Les Pages de Paris / Naviguer The Paris Pages / Navigate Die Paris-Seiten / Navigiere 

Der Louvre 

1. 2. 3. 4. 

1. Kostbarkeiten des Louvre 

2. Geschichte des Museums / Geschichte des Gebäudes 

3. Allgemeines / Hinweise zu den Sammlungen 

4. Wegweiser 

Hinweise für Rollstuhlfahrer 

Führungen 

Wo: 1. Arrondissement. 

Métro-Haltestelle: Palais Royal - Musee du Louvre. 

Öffnungszeiten: Täglich von 9.00 - 21.45 Uhr außer Dienstags. 

Laufende Ausstellungen 

Eintrittspreise: 40 FF (20 FF nach 15 Uhr); 20 FF unter 26 oder über 60 Jahren; 

unter 18 Jahren frei. 

Tel.: 40 20 53 17 

Die Informationsseite „Der Louvre“ 

wohl für ihre Freizeitgestaltung, als 

auch ihre berufliche Integration von 

Nachteil ist, in ihren negativen Auswirkungen 

abgemildert werden. 

In der Forschungsgruppe „Mensch- 

Maschine-Kommunikation“ des GMD- 

Instituts für Angewandte Informationstechnik 

wird diesen Aspekten in 

unterschiedlichen Forschungs- und 

Entwicklungsprojekten zur behindertengerechten 

Anpassung von Mensch- 

Computer-Schnittstellen Rechnung getragen. 

Eines dieser Projekte verfolgt das 

Ziel, einem Kreis von Benutzern mit 

unterschiedlichem Hintergrund und 

Interessenlagen, zum Beispiel Touristen, 

Geschäftsleuten, Städtepla- 

nern, aber auch bestimmten Behindertengruppen, 

multimediale Umgebungsinformationen 

über ein Land, 

eine Region, eine Stadt oder eine kulturelle 

Einrichtung adäquat anzubieten. 

Grundlage für ein mögliches Anwendungszenario 

sind zum Beispiel die im 

World Wide Web, der Multimediaumgebung 

des Internet, angebotenen Informationen 

zum Louvre in Paris 

(URL: http://www.paris.org.:80/Musees/ 

Louvre). Das Informationsangebot 

und die Darstellungsform 

dieser World Wide Web-Präsentation 

wurde an einigen Stellen behindertengerecht 

angepaßt. 


Help

Nehmen wir zu Beginn an, daß der gegenwärtige 

Benutzer des Systems, ein 

Rollstuhlfahrer, Paris beziehungsweise 

den Louvre als Tourist besuchen 

möchte. Beide Informationen – also 

Rollstuhlfahrer und Tourist – hat er 

eingangs dem System mitgeteilt. Die 

daraufhin angebotene Informationsseite 

„Der Louvre“ (siehe Abbildung 

1) enthält in der Mitte zwei markante 

Hinweise. Einer verweist auf das spezielle 

Informationsangebot für Rollstuhlfahrer, 

zum Beispiel Parkmöglichkeiten, 

Rampen, Aufzüge, Telefone, 

und der andere auf das aktuelle 

Angebot an Führungen durch den 

Louvre. Die Aufnahme des ersten 

Hinweises ist klar motiviert, da der 

Benutzer ja Rollstuhlfahrer ist. Aufgrund 

seiner zweiten Eigenschaft, 

nämlich Tourist zu sein, und der im 

System enthaltenen Annahme, daß 

Touristen spezielles Interesse an 

Führungen haben, wurde von der adaptiven 

Komponente des Systems der 

zweite Hinweis auf Führungen mit in 

die Seite aufgenommen. 

In der Folge navigiert der Benutzer 

ein wenig im System und schaut sich 

dabei einige Exponate aus der Gemäldesammlung 

an. Die adaptive Komponente 

schließt aus diesem Navigationsverhalten 

auf ein Interesse 

des Benutzers an Gemälden. Anschließend 

wechselt er dann zur Seite 

„Kostbarkeiten des Louvre“ (siehe 

Abbildung 2), auf der die einzelnen 

Abteilungen dargestellt sind. Bei der 

Erstellung der Seite wird aufgrund 

der vorher gebildeten Annahme die 

Gemäldeabteilung unter anderem 

durch zwei Exponate und einen markanten 

Hinweis besonders hervorgehoben. 

Hinweise auf einen behindertengerechten 

Zugang zu diesen Exponaten 

können dabei vom System mitberücksichtigt 

werden. 

Der Benutzer wechselt nun direkt zur 

„Gemälde-Abteilung“. Bei der Erstellung 

der Seite wird ein Interesse des 

Benutzers an Zusatzinformationen 

zum Gemälde der „Mona Lisa“ antizipiert, 

da der Benutzer sowohl an 

Gemälden interessiert ist, als auch in 

seiner Eigenschaft als Tourist Interesse 

am wohl bekanntesten Gemälde 

T I T E L 


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Kostbarkeiten des Louvre 

Die Mona Lisa Die Freiheit führt das Volk 

Gemälde 

Ägyptische Abteilung / Orientalische Abteilung / Drucke und Zeichnungen 

Skulpturen / Griechische, Etruskische und Römische Abteilung / Kunstobjekte 

Die Seite „Kostbarkeiten des Louvre“ 

des Louvre hat. Deshalb wird auf dieser 

Seite die „Mona Lisa“ besonders 

hervorgehoben, und Zusatzinformationen 

zum Gemälde und seiner Entstehungsgeschichte 

werden angezeigt. 

Derartige Anpassungen können vom 

Benutzer natürlich auch jederzeit 

rückgängig gemacht werden. Bevormundungen 

werden auf diese Weise 

weitgehend vermieden. 

Neben einer aktiveren Freizeitgestaltung 

eröffnet der Zugang zu Telekommunikationssystemen 

vielen behinderten 

Menschen auch Möglichkeiten, 

überhaupt am Arbeitsleben teilnehmen 

zu können. In diesem Zusam- 

menhang hat sich die GMD in einem 

weiteren Projekt die Aufgabe gestellt, 

einen an spezifische Behinderungen 

anpaßbaren Telearbeitsplatz zu realisieren, 

der auch industriell leicht und 

kostengünstig reproduzierbar ist und 

einer größeren Gruppe Behinderter 

zugute kommen soll. 

Die technische Herausforderung bei 

der prototypischen Ausgestaltung eines 

Telearbeitsplatzes für Behinderte 

liegt in der Integration von Multimedia-, 

Computer- und Kommunikationstechniken, 

mit dem Ziel, die bei 

eingeschränkter Mobilität verhängnisvolle 

räumliche Trennung einer verteilten 

Arbeitsorganisation zu überwinden. 

Technisch bieten mittlerweile 

integrierte Multimediasysteme, die 


zumindest grundlegende Kommunikationsarten 

über Ton, Text und Bild 

miteinander kombinieren, weitreichende 

Möglichkeiten, den Spezialanforderungen 

behinderter Endbenutzer 

zu entsprechen. Mit der weiteren 

netztechnologischen Entwicklung 

von ISDN (Integrated Services Digital 

Network) hin zu Breitband-ISDN beziehungsweise 

ATM-Technologien 

(Asynchronous Transfer Mode) wird 

sich dieses Potential noch erweitern. 

Eine extreme Form der Medienintegration 

in Telekommunikationssystemen 

wird durch den Begriff der Telepräsenz 

charakterisiert. Gemeint ist 

damit die Verteilbarkeit einer Organisationseinheit 

über mehrere Orte, 

ohne Einbuße an Kooperationsmöglichkeiten. 

Gerade für Behinderte stellt die Gewährleistung 

von Telepräsenz erhöhte 

Anforderungen an die Ausgestaltung 

der Mensch-Maschine-Schnittstelle. 

Grundsätzlich soll versucht werden, 

bereits existierende Telekooperationssysteme 

mit einer generischen und somit 

möglichst universell einsetzbaren 

grafischen Benutzeroberfläche auszustatten, 

deren Objekte (Fenster, Kommandomenüs, 

Schaltflächen etc.) sich 

auf multimediale Weise, etwa visuell, 

akustisch oder taktil, manifestieren 

und so an spezifische körperliche Beeinträchtigungen 

des jeweiligen Endbenutzers 

anpassen. 

Übergeordnete wissenschaftliche Arbeitsziele 

werden durch eine in das 

Projekt integrierte Technikfolgenabschätzung 

bestimmt, die zunächst auf 

den Aspekt fokussiert werden soll, 

daß die Unterstützung von Behinderten 

durch multimediale Kooperationssysteme 

nicht dazu führen darf, 

daß sie menschliche Integrationsmöglichkeiten 

verlieren und in eine isolierte 

Welt von Apparaten abgedrängt 

werden, die sie zwar selbst bedienen 

können, die sie aber vom normalen 

menschlichen Leben abschneiden. 

Neben technischen Aspekten sind somit 

zentral auch ethische und soziale, 

in der weiteren Folge aber auch medizinische, 

rechtliche und ökonomische 

Aspekte der Telearbeit zu berücksich- 

T I T E L 

tigen, die nicht unbedingt nur behindertenspezifisch 

sein müssen. „Dual 

Use“ als einer in der wisssenschaftlichen 

und technologiepolitischen Debatte 

um behindertengerechte Technikgestaltung 

durchgängigen Anforderung 

wird auf diese Weise Rechnung 

getragen. Behindertengerechte 

Technikgestaltung ist immer auch ein 

„Design for All“ und hat Auswirkungen 

über das eigentliche Anwendungsgebiet 

hinaus. 

.................................... 

Josef Fink und Andreas 

Nill sind wissenschaftliche 

Mitarbeiter im 

Forschungsbereich 

Mensch-Maschine- 

Kommunikation des 

GMD-Instituts für 

Angewandte Informationstechnik. 

Ihre 


sind Adaptive Interaktive 

Systeme und 

Benutzermodellierung. 

.................................... 

Dr. Michael Pieper ist 

Wissenschaftler im 

Forschungsbereich 

Mensch-Maschine- 

Kommunikation des 

GMD-Instituts für 

Angewandte Informationstechnik. 

Seine 


sind sozialwissenschaftlicheTechnikfolgenabschätzung 

und Softwareergonomie. 

Seit April 

1995 leitet er das 

Projekt „Telearbeit für 

Behinderte“. 

Ozonvorhersage 

als Fernsehpräsentation 

Von Bertram Walter 

Im Rahmen der Vorbereitung einer 

Ozonvorhersage für einen Berliner 

Lokalsender zeigt ein Videofilm die 

Ozonverteilung über der Stadt und 

dem Umland für den nächsten Tag. 

Die Berechnung und eine Aussage 

über die zu erwartenden Ozonkonzentrationen 

ermöglicht das im GMD- 

Institut für Rechnerarchitektur und 

Softwaretechnik erarbeitete Projekt 

DYMOS (Dynamische Modelle für 

die Smoganalyse). 

An eine Ozonvorhersage im Fernsehen 

richten sich unterschiedliche 

Erwartungen. Der durchschnittliche 

Fernsehzuschauer wird als Laie andere 

Anforderungen haben als ein 

Wissenschaftler mit entsprechendem 

Hintergrundwissen. Relevante Informationen 

für den Experten sind 

beispielsweise die Validierung eines 

Modells oder die Verdeutlichung von 

Einflußgrößen auf den Ozonaufbau 

oder Ozonabbau. Der durchschnittliche 

Fernsehzuschauer fragt voraussichtlich 

in erster Linie danach, in 

welchen Gebieten hohe oder niedrige 

Ozonkonzentrationen auftreten, welche 

Grenzwerte dabei über- oder 

unterschritten werden oder ob tageszeitliche 

Änderungen zu beobachten 

sein werden. 

Eine Ozonvorhersage als Fernsehfilm 

muß darüber hinaus noch Aspekte 

der Ästhetik und Verständlichkeit 

berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit 

richtet auf diese beiden Punkte 

das Hauptaugenmerk. Ein Visualisierungssystem 

muß unter diesem Gesichtspunkt 

folgende Anforderungen 

erfüllen: 

– Die Ozonkonzentrationen sollten 

nur in den aussagekräftigen beziehungsweise 

gesundheitlich relevanten 

Grenzwertbereichen dargestellt wer- 


den: 120 Mikrogramm (Grenzwert 

der Weltgesundheitsorganisation) bis 

180 Mikrogramm (bundeseinheitlicher 

Vorwarnwert) und 180 Mikrogramm 

bis unendlich. 

– Die Zuordnung zu den Grenzbereichen 

muß für den Betrachter 

schnell erfaßbar sein. 

– Die Ozonverteilungen sollten in einem 

Umfeld dargestellt werden, 

das der Realität möglichst nahekommt. 

Dem Betrachter soll ein intuitives 

Zurechtfinden ermöglicht 

werden. 

– Die regionale Zuordnung der 

Ozonkonzentrationen muß mit einer 

hinreichenden Genauigkeit und Auflösung, 

zum Beispiel in Bezirke, 

Wohngegenden, Erholungsgebiete, 

möglich sein. 

Um sowohl eine ansprechende als 

auch aussagekräftige Videosequenz zu 

erhalten, wird die Ozonvorhersage im 

Rahmen eines simulierten Fluges über 

Berlin – angelehnt an die Wetterflüge 

im Fernsehen – modelliert. Die Visualisierung 

läßt sich somit in zwei Bereiche 

unterteilen: die Darstellung des 

Ozons und der räumlichen Umgebung. 

Um den Flug möglichst realistisch zu 

gestalten, überfliegt der Betrachter 

eine auf ein Höhenprofil projizierte 

Satellitenaufnahme von Berlin. Durch 

deren hohe Ortsauflösung und Realitätstreue 

in Verbindung mit der Hervorhebung 

der Stadt- und Bezirksgrenzen 

sowie der Flüsse und Seen 

wird eine exakte und genaue Orientierung 

für den Betrachter ermöglicht. 

Da abhängig vom Blickwinkel die horizontnahen 

Bereiche des Himmels 

sichtbar sein können, wird ein entsprechender 

Himmelsausschnitt abhängig 

von Sonnenstand und Lufttrübung 

berechnet. 

Eine ebenfalls an der Realität orientierte 

Wiedergabe des Ozons ist nicht 

sinnvoll, da es keine Eigenfarbe besitzt: 

es ist unsichtbar. Somit muß man 

bei der Darstellung des Ozons auf 

künstliche Strukturen und Farben 

zurückgreifen. 

T I T E L 

Auf eine dreidimensionale Darstellung 

der Verteilungen wurde bewußt 

verzichtet, da der Rechenaufwand 

deutlich größer und die vorher erwähnte 

regionale Zuordnung – die 

Abbildung der Ozonwolke auf der 

Karte – schwieriger ist. Die Rechenzeit 

ist ein wesentlicher Faktor, da für 

die Berechnung nur der Zeitraum 

zwischen der Ozonberechnung – deren 

Vorhersagegenauigkeit von der 

zeitlichen Nähe zum berechneten 

Zeitraum abhängt – und der Übertragung 

zum Fernsehen genutzt werden 

kann. Außerdem sind Wolken reale 

Gebilde, die sich in größeren Höhen 

befinden (aber das Ozon in Bodennähe 

soll visualisiert werden) und 

eher mit Wasserdampf oder Staub in 

Verbindung gebracht werden. 

Einfacher und schneller ist es, direkt 

über die Karte eine transparente 

zweite Karte zu legen, die durch ihre 

Färbung die Ozonkonzentrationen repräsentiert. 

Sowohl durch die gewählte 

Farbe als auch durch den Grad der 

Transparenz können dann die örtlichen 

Ozonwerte verdeutlicht werden. 

In der aktuellen Version wird für 

die Ozonkonzentration des Grenzwertes 

der Weltgesundheitsorganisation 

ein Blau und für alle Werte größer 

240 Mikrogramm (bundeseinheitlicher 

Auslösewert) ein Signalrot verwendet. 

Für die Zwischenwerte werden 

die beiden Farben ineinander 

übergeblendet. 

Somit sind die beiden Grenzwertbereiche 

farblich voneinander abgegrenzt. 

Durch die durchscheinende 

Karte kann der Fernsehzuschauer die 

für ihn interessanten Regionen klar 

erkennen. 

.................................... 

Dipl.-Inform. Bertram 

Walter ist Doktorand 

am GMD-Institut für 

Rechnerarchitektur 

und Softwaretechnik. 

Schwerpunkt seiner 

wissenschaftlichen 

Arbeit ist das Gebiet 

Simulationssysteme. 

Szenariorechnungen 

mit einem 

parallelisierten 

Programm 

Von Steffen Unger 

Das EMEP-Modell (European Monitoring 

and Evaluation Programme) 

des Norwegischen Meteorologischen 

Instituts in Oslo zur Berechnung der 

grenzüberschreitenden Schadstoffbelastung 

in Europa wurde im Rahmen 

des DYMOS-Projektes (Dynamische 

Modelle für die Smoganalyse) im 

GMD-Institut für Rechnerarchitektur 

und Softwaretechnik in Berlin parallelisiert. 

Durch die Parallelisierung des 

Programms konnte eine bedeutende 

Laufzeitverbesserung erreicht werden. 

Dadurch wurde es möglich, auf 

dem im Institut entwickelten Parallelrechner 

MANNA (Massiv-Parallele 

Architektur für Numerische und 

Nicht-Numerische Anwendungen) 

umfangreiche Szenariorechnungen für 

die Entwicklung eines Integrated 

Assessment Model’s für Ozon im 

International Institute for Applied Systems 

Analysis (IIASA) in Laxenburg 

bei Wien durchzuführen. 

Die Transboundary Air Pollution 

Gruppe des IIASA entwickelt ein Integrated 

Assessment Model für Ozon. 

Dieses Modell bezieht ökonomische, 

soziale und gesundheitliche Aspekte 

der Schadstoffbelastung der Luft ein, 

speziell für die Leitsubstanz Ozon, 

und bilanziert Auswirkungen von Veränderungen 

der charakteristischen 

Größen des Modells. Insbesondere 

lassen sich Kosten/Nutzen-Abschätzungen 

für emissionsmindernde Maßnahmen 

im europäischen Rahmen 

durchführen. 

Analog zu den vor einigen Jahren in 

Vorbereitung des 1994 unterzeichneten 

Schwefel-Protokolls durchgeführten 

Untersuchungen, an denen das 

IIASA ebenfalls beteiligt war, kann 

dieses Simulationsmodell Entschei- 


dungshilfen für die Ausarbeitung des 

europäischen Stickoxid-Reduktions- 

Programms liefern. Die in der Atmosphäre 

ablaufenden physikalischen 

und chemischen Vorgänge sind so 

komplex, daß Aussagen über die 

Auswirkungen emissionsmindernder 

Maßnahmen für die Vorläufersubstanzen 

der Ozonbildung, insbesondere 

die Stickoxide und die Volatile Organic 

Compounds (VOC), nur als Resultat 

einer statistischen Trendanalyse 

gewonnen werden können. Dazu 

dient ein statistisches Regressionsmodell 

zur Bestimmung des Source-Receptor-Verhaltens 

für Schadstoffe, das 

ein wesentlicher Bestandteil des 

Integrated Assessment Model’s ist. 

Die zur Anpassung der Parameter in 

diesem Regressionsmodell notwendigen 

Daten können nicht aus Messungen 

bestimmt werden. Deshalb ist eine 

Vielzahl von Szenarioanalysen 

durchzuführen und auszuwerten. 

Als Grundlage für diese Analysen 

wurde in Zusammenarbeit mit dem 

Meteorologischen Institut Oslo und 

dem EMEP das dort im Regelbetrieb 

laufende Modell zur Berechnung der 

grenzüberschreitenden Schadstoffbelastung 

in Europa ausgewählt. Dieses 

Modell hat den Vorteil, daß es 

als Trajektorien- (Lagrange-) Modell 

wesentlich weniger Rechenzeit erfordert 

als vergleichbare Gitter- (Euler-) 

Modelle. Es liefert die für das Regressionsmodell 

notwendigen Daten, vor 

allem summarische Werte wie die 

mittlere Ozonbelastung von Gebieten 

in der Sommerperiode, in ausreichender 

Auflösung. Außerdem verfügt das 

EMEP über eine anerkannte europäische 

Emissionsdatenbasis, die als 

Grundlage für reale und vorstellbare 

Emissionsminderungsszenarien dient. 

Leider ist der Rechenaufwand für dieses 

EMEP-Modell immer noch zu 

groß, um damit umfangreiche Szenarioanalysen 

durchführen zu können. 

Ein sechs Monate umfassender Simulationslauf 

dauert auf der Cray-Rechenanlage 

in Oslo etwa sechs Stunden. 

250 Szenariorechnungen würden 

dann etwa zwei Monate an Rechenzeit 

erfordern. 

Die Fachleute des IIASA wandten 

sich deshalb mit der Bitte an die 

GMD, dieses Modell zu parallelelisie- 

T I T E L 

ren, um dadurch einen 

Rechenzeitgewinn 

zu erreichen. Das Meteorologische 

Institut 

Oslo ist gleichfalls an einer 

Parallelisierung interessiert, 

da dort demnächst 

ebenfalls ein Parallelrechner 

zur Verfügung 

stehen wird. 

Das EMEP-Modell 

Das EMEP-Modell ist 

5 

ein Lagrangesches Boxmodell. 

Für Ankunftspunkte 

in einem Raster 

0 

von 150 mal 150 Kilometer, 

die den europäischen 

Landsockel abdecken, 

werden alle 

sechs Stunden Ozonwerte berechnet. 

Im folgenden werden wir solch eine 

Berechnung der Ozonwerte in allen 

Punkten zu einer Ankunftszeit als 

Zeitschritt bezeichnen. Ausgehend 

vom Ankunftspunkt werden die Trajektorien 

anhand der meteorologischen 

Daten bis zu vier Tagen in zweistündlicher 

Auflösung zurückverfolgt. 

Für eine Schadstoffe tragende 

Luftsäule, die sich entlang dieser Trajektorie 

bewegt, werden dann Bilanzgleichungen 

für die Schadstoffe gelöst, 

wobei relevante physikalische 

Prozesse wie Emission, Deposition 

und Entrainment und die chemische 

Umsetzung berücksichtigt werden. 

Da es sich um ein Lagrangemodell 

handelt, ist das Modell relativ einfach 

zu parallelisieren. Im Gegensatz 

zu Lagrangeschen Partikelmodellen 

kommen hier aber einige Besonderheiten 

hinzu. Zunächst gibt es eine 

Abhängigkeit zwischen aufeinanderfolgenden 

Zeitschritten, da die Initialkonzentrationen 

der Luftpakete, 

wenn möglich, aus vorhergehenden 

Zeitpunkten akkumuliert werden. 

Somit ist nur eine Parallelisierung innerhalb 

eines Zeitschrittes möglich. 

Damit hat man dann aber eine relativ 

geringe Anzahl von Trajektorien, zum 

Beispiel im aktuellen Raster 709, die 

zudem noch relativ kurz sind (vier 

Tage im Zwei-Stunden Raster ergeben 

maximal 49 Punkte). Hinzu 

kommt, daß die Trajektorien unter- 


schiedlich lang sind, da bei Erreichen 

der Gebietsgrenzen die Trajektorie 

nicht weiter fortgesetzt wird. Eine direkte 

Parallelisierung führt damit zu 

erheblichen Lastausgleichsproblemen. 

Unabhängig davon ist eine Parallelisierung 

sehr sinnvoll, da die Rechenzeit 

für eine Trajektorie pro Zeitschritt 

relativ groß ist. Ein Zeitschritt 

dauert auf einem Vektorrechner immerhin 

etwa eine halbe Minute (für 

rund 700 Trajektorien). 

Parallelisierung 

Folgende Hauptprobleme wurden bei 

der Parallelisierung gelöst: 

1. Lastausgleich 

Die Berechnung der Trajektorien für 

den jeweiligen Zeitschritt erfolgt zusammen 

mit dem Input/Output und 

der Verteilung der notwendigen 

Daten an die restlichen Knoten auf 

einem ausgewählten Knoten, im 

folgenden Host-Knoten genannt. Danach 

werden die Trajektorien der 

Länge nach geordnet, und zyklisch 

nach einer einfachen Vorschrift auf 

die Rechenknoten verteilt (der erste 

Knoten erhält die erste Trajektorie, 

der zweite die zweite usw.). Dadurch 

ist ein fast idealer Lastausgleich möglich, 

da jeder Knoten nicht nur 

annähernd die gleiche Zahl von Berechnungspunkten 

erhält, was den 

Rechenaufwand bestimmt, sondern 

auch dieselbe Anzahl von Trajektori- 


speed-up 

25 

20 

15 

10 

parallel efficiency 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

parallel efficiency 

speed-up 

linear speed-up 

0.0 

0 5 10 15 20 

number of processors 

Speed-Up und parallele Effizienz im Ein-Prozessor-Modus

en, was sich als günstig für die Dimensionierung 

der Konzentrations- und 

anderen Felder für die Trajektorien 

erweist. 

Während der Berechnung des k-ten 

Zeitschritts auf den übrigen Knoten 

werden die Ergebnisse des (k-1)-ten 

Zeitschritts ausgegeben und die Daten 

für den (k+1)-ten Zeitschritt vorbereitet 

und verteilt. Dadurch werden 

Input/Output, Kommunikation und 

Berechnung überlagert und die Stillstandszeit 

der Prozessoren ist praktisch 

gleich Null. 

2. Abhängigkeit der Anfangskonzentrationen 

von den Berechnungen 

früherer Zeitschritte 

Das Rechengebiet ist im Vergleich zur 

Länge der Trajektorien recht groß. 

Deshalb gibt es nur sehr wenige Trajektorien 

– mit Ankunftspunkten am 

Rande Europas –, die als Initialwerte 

Daten aus dem Zeitschritt benötigen, 

der zur selben Zeit erst auf den anderen 

Knoten berechnet wird. Die anderen 

Werte sind auf dem Host-Knoten 

schon verfügbar. Deshalb wird die Initialisierung 

der Konzentrationen für 

die Trajektorien ebenfalls auf dem 

Host-Knoten durchgeführt. Die wenigen 

verbleibenden sehr kurzen Trajektorien 

werden nach Empfang der 

Ergebnisse vom vorhergehenden 

Schritt auf dem Host-Knoten berechnet. 

Mit diesem einfachen Algorithmus 

kann die Stillstandszeit der Rechenknoten 

sehr klein gehalten werden. 

Bei einer Simulation über sechs Monate 

lag die Summe der Wartezeiten 

der Rechenknoten auf die Daten für 

den nächsten Schritt bei einigen Sekunden, 

was im Vergleich zur Rechenzeit 

von etwa 40 Minuten verschwindend 

wenig ist. Die obige Prozedur 

hat nun auch einige Auswirkungen 

auf das serielle Programm. Das Ausgangsprogramm 

wurde speziell für die 

Anwendung auf einem Vektorrechner 

entwickelt und ist so aufgebaut, daß 

die einzelnen Rechenschritte eines 

Zeitschritts für jeweils alle Trajektorien 

ausgeführt werden. Wegen der 

unterschiedlichen Länge der Trajektorien 

erfordert dies ständige Tests, ob 

für die jeweilige Trajektorie zum ge- 

T I T E L 

gebenen Zeitpunkt die Rechnung bereits 

ausgeführt werden muß. Liegen 

die Trajektorien nun bereits der Länge 

nach geordnet vor, so können alle 

diese Tests entfallen. Das macht das 

Programm nicht nur viel einfacher, 

sondern auch schneller. Weiterhin hat 

sich gezeigt, daß Cache-Effekte hier 

eine große Rolle spielen, damit haben 

kleinere Felddimensionen sofort positive 

Auswirkungen auf die Rechenzeit. 

Die oben skizzierte Verteilungsvorschrift 

auf die Knoten erlaubt es, 

die Felddimensionen für die Knoten 

zu minimieren. 

Ergebnisse 

Das Programm wurde mit Hilfe von 

PVM (Parallel Virtual Machine) parallelisiert 

und auf dem MANNA- 

Rechner des Instituts für Rechnerarchitektur 

und Softwaretechnik der 

GMD implementiert. Dabei wurde 

die Möglichkeit genutzt, diesen Rechner 

nicht nur im Normalmodus zu betreiben, 

bei dem nur einer der zwei 

auf 

jedem MANNA-Knoten vorhandenen 

Prozessoren benutzt wird. Es 

wurde eine AP/AP-Variante (Arithmetic 

Processor) implementiert, bei 

der der zweite Prozessor als arithmetischer 

Coprozessor verwendet wird. 

Die Cache-Effekte liefern dabei einen 

super-linearen Speed-Up. Der superlineare 

Speed-Up wird deutlich, wenn 

man die notwendige Zeit zur Berechnung 

einer Trajektorie für verschiedene 

Knotenzahlen vergleicht. Für 

die Ein-Prozessor-Variante sinkt diese 

Zeit stetig bis zu 20 Knoten, im 

AP/AP-Modus sinkt sie bis zu 14 

Knoten und bleibt danach nahezu 

konstant. 

Das zeigt, daß für dieses Programm 

für bis zu 40 Prozessoren eine nahezu 

ideale parallele Effektivität, sogar bei 

gleicher Problemgröße, charakteristisch 

ist, obwohl die Berechnung 

dann schon ziemlich feingranular ist – 

jeder Prozessor berechnet dann nicht 

einmal 20 Trajektorien. Für die Ein- 

Prozessor-Variante liegt der Speed- 

Up-Faktor für 20 Knoten bei 21,1, bei 

der AP/AP-Variante liegt er bei 21,3 

(im Vergleich von 20 Knoten zu einem 

Knoten beziehungsweise 40 Prozessoren 

zu 2 Prozessoren). 

Vergleicht man die AP/AP-Variante 

mit 20 Knoten, das heißt, mit 40 Prozessoren, 

mit der Ein-Knoten/Ein- 

Prozessor-Variante, erhält man einen 

Speed-Up von 37,2. Das liegt daran, 

daß beide Prozessoren nur über einen 

gemeinsamen Datenbus zum Speicher 

verfügen und sich damit bei Speicherzugriffen 

gegenseitig stören. Dadurch 

wird der theoretische Speed-Up von 2 

beim Übergang zum AP/AP-Modus 

auf etwa 1,8 reduziert. 

Für Nutzrechnungen ist in erster Linie 

die Antwortzeit eines Programms interessant. 

Diese ist bei Parallelrechnern 

schon deshalb günstiger als etwa 

bei großen Vektorrechnern, da man 

Parallelrechner oft als alleiniger Nutzer 

zur Verfügung hat und damit die 

Liegezeit eines Programms etwa der 

Zeit der Zentraleinheit entspricht. 

Ein Basislauf über sechs Monate erfordert 

auf einem MANNA-Parallelrechner 

mit 20 Knoten nur noch weniger 

als 40 Minuten – im Vergleich zu 

sechs Stunden auf der Cray. Damit 

konnten im Februar dieses Jahres 250 

Szenariorechnungen in etwa einer 

Woche durchgeführt werden. Entsprechende 

Umformung, das heißt Ordnung 

der Trajektorien und Aufspaltung 

der Berechnungen in Teilpakete 

von Trajektorien, liefert ebenfalls eine 

bedeutende Laufzeitverbesserung des 

seriellen Programms. Auf einer Workstation 

wurde das beste Ergebnis mit 

einer Aufspaltung in 20 Teilstücke 

von jeweils 36 Trajektorien erreicht. 

Die Zeit der Zentraleinheit reduzierte 

sich dadurch auf etwa die Hälfte. 

.................................... 

Dr. Steffen Unger ist 

Wissenschaftler im 

GMD-Institut für 

Rechnerarchitektur 

und Softwaretechnik. 

Er befaßt sich mit der 

Simulation der Bildung 

und des Transports 

von Schadstoffen in 

der unteren Atmosphäre 

und mit der 

Parallelisierung und 

Implementierung 

entsprechender Modelle. 


CaTS – 

Bildbasierte 

Kameraführung 

im Virtuellen 

Studio 

Von Klaus Kansy, 

Günther Schmitgen 

und Peter Wißkirchen 

Das Virtuelle Studio der GMD hat 

sich zu einer Attraktion entwickelt. 

Die Mischung von realer und virtueller 

Welt – ein realer Moderator in einem 

künstlichen Raum – verdeutlicht 

plastisch die neuen Gestaltungsmöglichkeiten 

eines Virtuellen Studios. 

Zentrale Voraussetzung für eine überzeugende 

Mischung ist die exakte 

Abstimmung von realer und virtueller 

Kamera, wodurch erst die Illusion eines 

einheitlichen Raums erzeugt wird. 

Läßt sich diese Abstimmung bei 

feststehender Kamera noch manuell 

erreichen, wird sie zu einem Problem, 

wenn die reale Kamera bewegt wird. 

Die synthetische Kamera muß dann 

exakt und synchron nachgeführt werden, 

weil sich sonst beide Welten voneinander 

entfernen und die Illusion 

des einheitlichen Raums zerstört wird. 

In unserem Beispiel würde der Moderator 

dann nicht mehr fest auf dem 

Boden stehen bleiben, sondern der 

Boden würde ihm buchstäblich unter 

den Füßen wegrutschen. Zur Lösung 

dieser Koordinierungsaufgabe wurde 

in der GMD ein bildbasiertes Verfahren 

entwickelt, bei dem die aktuellen 

Kameraeinstellungen aus dem Bild 

berechnet und damit virtuelle Objekte 

pixelgenau neben reale Objekte 

positioniert werden können. 

Beim Virtuellen Studio werden aufwendige 

Dekorationen und Kulissen 

nicht mehr real gebaut, sondern im 

Computer konstruiert und elektronisch 

in das Fernsehbild hineingemischt. 

Neben Kosten- und Platzersparnis 

gewinnt ein Fernsehproduzent 

damit auch größere Flexibilität, 

weil er Kulissen in Sekunden neu 

zusammenstellen und ändern kann 

und weil er die Möglichkeit erhält, 

F O R S C H U N G 

elektronische Effekte 

einzubauen, die mit realen 

Kulissen nicht möglich 

wären. Über die 

Techniken und die 

praktischen Einsatzmöglichkeiten 

von Virtuellen 

Studios wurde 

im Heft 3/95 des GMD- 

Spiegels ausführlich 

berichtet. 

Das Virtuelle Studio besteht 

aus einem Blauraum, 

in dem reale 

Personen agieren und in 

den reale Requisiten 

hineingestellt werden 

können. Abbildung 1 

zeigt einen Blick in den 

Blauraum aus der Perspektive 

der Studiokamera. 

Ein Grafikcomputer erzeugt 

die virtuelle Welt, 

die den Blauraum erst 

zu einem Studio macht. 

Im Grafiksystem wird 

eine virtuelle Kamera 

definiert, mit der die 

virtuelle Welt in ein 

Videobild umgewandelt 

wird. Abbildung 2 zeigt 

das Bild einer virtuellen 

Welt, die aus einem 

virtuellen Raum mit virtuellen 

Requisiten besteht. 

Durch einen sogenanntenChroma-Key-Mischer 

werden nun beide 

Bilder gemischt, wobei 

der virtuelle Raum (Abbildung 

2) die blauen 

Flächen in der realen 

Welt (Abbildung 1) ersetzt. 

Die virtuellen Requisiten 

können wahlweise 

in den Vorderoder 

Hintergrund gesetzt 

werden. Das Resultat 

zeigt Abbildung 

3. 

Blauraumtechnik 

im Fernsehen 

Die Blauraumtechnik wird schon seit 

langem im Fernehen einge- 


Der Blauraum aus der Perspektive der Studiokamera: 

Eine reale Person steht an einem realen Pult neben einer 

blauen Tafel vor blauem Hintergrund. 


Die virtuelle Welt: 

Ein dreidimensionaler Raum mit virtuellen Requisiten. 


Kombination von realer und virtueller Welt. 


setzt, aber immer – oder fast immer – 

für das Mischen von Bildern: ein 

Fernsehbild wird in ein Fenster innerhalb 

eines anderen Fernsehbildes eingeblendet. 

Die dritte Dimension, die 

räumliche Tiefe, spielt dabei keine 

Rolle. Wollte man jedoch das Virtuelle 

Studio als dreidimensionalen Raum 

nutzen, in dem reale und virtuelle Objekte 

mit der richtigen Perspektive an 

der richtigen Stelle in der richtigen 

Größe dargestellt werden, mußte die 

Studiokamera sorgfältig justiert und 

auf die synthetische Welt abgestimmt 

werden. Dadurch ergab sich eine 

gravierende Beschränkung: Die 

Studiokamera durfte nach der Justierung 

um keinen Millimeter verrückt 

oder gedreht werden, ohne die Verbindung 

von Realität und Virtualität 

zu zerstören. Der Wetterbericht im 

Fernsehen, bei dem der Moderator in 

einem Virtuellen Studio auf eine virtuelle 

Wetterkarte an der Wand zeigt, 

ist ein Beispiel dafür. 

Kamerafahrten 

im Virtuellen Studio 

Interessant wird das Mischen von Realität 

und Virtualität aber erst, wenn 

die Kamera frei bewegt werden darf. 

Dann kann das Virtuelle Studio seine 

volle Stärke zeigen, und es wird sichtbar, 

daß der dreidimensionale Raum 

nicht nur ein Bild, eine Tapete ist – 

sondern wirkliche dreidimensionale 

Qualität besitzt. 

Wenn die Kamera einen Schwenk 

macht, zoomt oder im Raum bewegt 

wird, verändert sich das reale Kamerabild 

kontinuierlich. Damit die Fiktion, 

der Eindruck eines einzigen dreidimensionalen 

Raums erhalten bleibt, 

muß die virtuelle Welt sich entsprechend 

der Kamerafahrt synchron mitbewegen. 

Wie kann der Computer aber wissen, 

welche Einstellung die Studiokamera 

gerade hat, damit er die virtuelle Welt 

richtig darstellen kann? Dies ist ein 

sehr schwieriges Problem, für das es 

heute noch keine voll befriedigende 

generelle Lösung gibt, sondern nur 

verschiedene Lösungsansätze, an denen 

eifrig geforscht und weiterentwickelt 

wird. 


Standardlösung: 

Sensoren an der Kamera 

Die Standardlösung, die man heute 

kaufen kann und die in existierenden 

Virtuellen Studios eingesetzt wird, 

sind Sensoren an der Kamera, die alle 

Änderungen präzise registrieren und 

an den Computer weitermelden. Ein 

Beispiel für ein sensorbasiertes System 

ist der Ultimatte Memory Head, 

der auch im Virtuellen Studio der 

GMD eingesetzt wird. 

Prinzipieller Nachteil der Sensorlösung 

ist, daß es keine Rückkoppelung 

zwischen realer und virtueller Welt 

gibt. Beide Welten werden einmal 

sorgfältig aufeinander abgestimmt, 

der Rest hängt von der Genauigkeit 

der Meßgeräte ab, die zudem unterschiedliche 

Parameter unterschiedlich 

genau messen. Somit besteht permanent 

die Gefahr, daß sich reale und 

virtuelle Welt während einer Kamerafahrt 

mehr und mehr voneinander 

entfernen. Das kann sich zum Beispiel 

darin äußern, daß während einer Kamerafahrt 

der Boden anfängt, unter 

den Füßen des Moderators zu wandern 

– der Moderator steht nicht 

mehr auf dem Fußboden, sondern 

schwebt in der Luft. 

Bei heutigen Sensorkameras können 

nur Schwenk und Zoom befriedigend 

genau erfaßt werden. Kamerafahrten 

im Raum bleiben problematisch und 

werden vermieden, das heißt, diese 

Kameras werden nur ortsfest eingesetzt. 

Dies wird auch schon wegen des 

apparativen Aufwands für die Sensorik 

nahegelegt. Für die pixelgenaue 

Koppelung von virtuellen und realen 

Objekten sind diese Systeme nicht 

präzise genug. Daher vermeidet man 

Situationen, in denen reale und virtuelle 

Gegenstände in sehr enge Berührung 

kommen, weil sonst Ungenauigkeiten 

und relative Bewegungen deutlich 

sichtbar werden könnten. 

Die GMD-Lösung: 

bildbasierte Kameraführung 

Um diese Probleme zu lösen, haben 

wir in der GMD einen neue Methode 

für die Kameraführung entwickelt 

und prototypisch implementiert, das 

Camera Tracking System CaTS. CaTS 

ist ein bildbasiertes Kameraführungssystem, 

das heißt, es mißt nicht an der 

Kamera, sondern es mißt im Bild. 

Dadurch werden keine zusätzlichen 

Sensoren benötigt, sondern es wird 

lediglich das bereits vorhandene Fernsehsignal 

der Kamera ausgewertet. 

Das Fernsehbild wird vom Computer 

analysiert, die aktuelle Kameraeinstellung 

berechnet und dann die 

passende virtuelle Welt erzeugt. Die 

Analyse des Bildes und die Erzeugung 

der virtuellen Welt geschehen 

zwar in Realzeit, aber die 

einzelnen Schritte brauchen etwas 

Zeit. Daher muß das Fernsehsignal in 

einem Videoverzögerer um etwa drei 

bis fünf Bilder verzögert werden, damit 

das Bild der virtuellen Welt aus 

dem Grafikcomputer mit dem entsprechenden 

realen Kamerabild gemischt 

werden kann. 

Wie kann nun der Computer allein 

durch Bildanalyse herausfinden, an 

welcher Position die Kamera sich gerade 

befindet und welcher Schwenkwinkel 

oder Zoom gerade eingestellt 

sind? 

Dies geht natürlich nicht mit jedem 

Bild, sondern es wird vorausgesetzt, 

daß es im Virtuellen Studio Strukturen 

gibt, die dem Rechner bekannt 

sind, die er in jedem Bild wiederfindet 

und mit deren Hilfe er die gesuchten 

Parameter bestimmen kann. 

Reale Objekte als Sensoren 

In unserem Camera Tracking System 

CaTS benutzen wir die im Virtuellen 

Studio vorhandenen realen Objekte 

als Referenzobjekte. Dies sind in Abbildung 

1 das Pult und die blaue Tafel. 

Es können natürlich andere und mehr 

Objekte verwendet werden, solange 

sie der Rechner automatisch und sicher 

in jedem Bild wiederfinden kann. 

Die Referenzobjekte werden entweder 

sorgfältig vermessen, oder man 

kann ihre Position aus Stereoansichten 

berechnen. In jedem Ka- 



Kombination von realer und virtueller Welt aus anderer 

Perspektive: Die virtuellen Objekte bleiben an ihrem Platz. 

merabild werden dann die Referenzobjekte 

gesucht und ihre aktuelle 

Position und Größe im Bild bestimmt. 

Aus entsprechenden Koordinaten im 

realen Raum und im Bild können nun 

alle geometrischen Kameraparameter 

berechnet werden: die Position, die 

drei Schwenkwinkel und der Öffnungswinkel 

oder Zoomfaktor. Das 

mathematische Verfahren setzt lediglich 

voraus, daß von mindestens vier 

Punkten im Bild die realen Koordinaten 

bekannt sind und daß diese Punkte 

nicht alle auf einer Fläche liegen. 

Bildbasierte Kameraführung wird 

auch im europäischen Förderprojekt 

MonaLisa und im ORAD-System aus 

Israel verwendet. Allerdings wird hier 

ein anderer Weg beschritten. Es werden 

Muster im Blauraum aufgemalt, 

die mit speziellen Hochleistungsprozessoren 

im Bild identifiziert und analysiert 

werden und aus denen man die 

Kameraeinstellung ganz oder teilweise 

bestimmen kann. Beim Mischen 

mit dem Chroma-Key-Mischer verschwinden 

diese blauen Muster automatisch. 

Reale Objekte und Ankerpunkte 

als Orientierungshilfen 

im Virtuellen Studio 

Wir kennen aus den Anfängen des 

Virtuellen Studios Szenen, in denen 

ein Moderator beim Erläutern der 

virtuellen Szene auf die falsche Stelle 

zeigt oder in die falsche Richtung 

blickt, weil er nicht sieht, wo sich die 


virtuellen Objekte befinden. 

Wenn man den 

Raum durch reale Objekte 

strukturiert, läßt 

sich dies vermeiden. 

Ankerpunkte sind eine 

weitere Möglichkeit, um 

Positionen im Blauraum 

zu kennzeichnen, an denen 

sich virtuelle Objekte 

befinden. Solche 

Ankerpunkte befinden 

sich am Pult und auf der 

Tafel in Abbildung 1. 

Das GMD-Logo am 

Pult oder das CaTS- 

Logo auf der Tafel sind 

an den Ankerpunkten befestigt (Abbildung 

3). Die Blumenvase auf dem 

Pult zeigt, daß es natürlich auch ohne 

Ankerpunkte geht, wenn dem Rechner 

die Geometrie des Pultes bekannt 

ist. 

Mit diesen Orientierungshilfen ist es 

nun keine Schwierigkeit mehr für den 

Moderator, mit virtuellen Objekten 

umzugehen. Die realen Objekte und 

die Ankerpunkte zeigen ihm deren 

Position an, und er kann zum Beispiel 

die Blumenvase auf dem Pult anfassen 

(Abbildung 3) oder auf das CaTS- 

Logo zeigen (Abbildung 4). 

Daß diese Möglichkeit bislang wenig 

genutzt wird, liegt daran, daß natürlich 

jede Schnittstelle zwischen Realität 

und Virtualität problematisch ist 

und Ungenauigkeiten in der Koordination 

unbarmherzig aufzeigt. Bildbasierte 

Kameraführung ist die einzige 

Möglichkeit, Realität und Virtualität 

in so enge Berührung kommen zu 

lassen. 

Eigenschaften der bildbasierten 

Kameraführung 

Durch die Rückkoppelung mit dem 

Kamerabild, die bei der bildbasierten 

Kameraführung möglich ist, können 

die virtuelle Welt im Prinzip pixelgenau 

mit der realen Welt gekoppelt 

und damit Computereffekte in der 

Videoszene erzeugt werden, die mit 

der üblichen Sensorkamera aus Genauigkeitsgründen 

unmöglich sind. 

Bildbasierte Kameraführung erlaubt 

alle Kamerafahrten ohne Einschränkung, 

ohne daß sich bei langen Fahrten 

Fehler akkumulieren können. Die 

Abbildungen 3 und 4 zeigen das 

Virtuelle Studio vor und nach einer 

Kamerafahrt von einer Seite des Studios 

zur anderen, die mit sensorbasierten 

Systemen zu instabilen Ergebnissen 

führen würde. Allerdings müssen 

bei den Kamerafahrten genügend 

viele Referenzobjekte im Blickfeld 

der Kamera bleiben, um die kontinuierliche 

Berechnung der Kameraparameter 

zu ermöglichen. Ein Zoom auf 

den Kopf des Moderators ist für 

bildbasierte Systeme daher eine heikle 

Kamerafahrt, für die noch geeignete 

Lösungen entwickelt werden 

müssen. 


Ein Ankerpunkt auf dem Pult, wie ihn der 

Computer sieht: Wo liegt der Mittelpunkt der 

Markierung? 


Bildausschnitt bei Kamerabewegung: 

Das Bild ist zusammengesetzt aus zwei 

Halbbildern, die verschiedenen Zeitpunkten 

der Bewegung entsprechen. 


Die Kalibrierung bei Kamera- oder 

Szenenwechsel – bei sensorbasierten 

Systemen eine kritische Aktion – ist 

bei bildbasierten Systemen einfach 

und problemlos in etwa einer Minute 

durchzuführen. 

Bildbasierte Kameraführung stellt 

keine besonderen Anforderungen an 

die Kamera, sie ist auch bei Schulterkameras 

und Hobbykameras anwendbar. 

Es kann damit sogar vorhandenes 

Filmmaterial weiter bearbeitet werden, 

wenn dort Objekte mit bekannter 

Geometrie vorhanden sind. Ein 

Anwendungsbeispiel hierfür ist die 

Montage von Schauspielern in historische 

Filmaufnahmen. 

Ein Nachteil des bildbasierten Verfahrens 

ist, daß es ausschließlich auf dem 

flimmernden und verrauschten Bild 

einer Kamera basiert. Abbildung 5 

zeigt, wie unregelmäßig ein in Abbildung 

1 gestochen scharf wirkender 

Punkt für den Computer aussieht, der 

nur die einzelnen Pixel betrachten 

kann. Abbildung 6 illustriert, daß es 

bei einer Kamerafahrt eigentlich keine 

konsistenten Bilder mehr gibt, weil 

eine Videokamera Halbbilder (abwechselnd 

die Zeilen mit gerader 

oder ungerader Nummer) aufnimmt, 

die dann zu verschieden Punkten in 

der Kamerafahrt gehören und sich 

entsprechend deutlich unterscheiden. 

Die Berechnung und Positionierung 

kann nur so genau sein, wie die Referenzobjekte 

lokalisiert werden können. 

Die Glättung von Pixelsprüngen 

im Bild und die Stabilisierung der Kamerafahrt 

sind ein anspruchsvolles 

mathematisches Problem. Wir haben 

hier noch nicht alle Möglichkeiten 

ausgereizt. Durch Modellierung von 

physikalisch möglichen Kamerabewegungen 

und durch Einsatz von 

Bildverarbeitungsmethoden wollen 

wir noch einen Schritt weiterkommen. 


.................................... 

Dr. Klaus Kansy leitet 


Angewandte Informationstechnik 

das 

Projekt DRIVE (Design 

of Realistic Interactive 

Virtual Environment), 

in dem das bildbasierteKameraführungssystem 

CaTS entwickelt 

wird. Daneben 

befaßt er sich mit 

Grafik- und Multimedianormung. 

.................................... 

Dr. Günther Schmitgen 

ist wissenschaftlicher 


DRIVE. Sein Forschungsschwerpunkt 

ist die Integration von 

Medien im Virtuellen 

Studio. 

.................................... 

Dr. Peter Wißkirchen 

ist wissenschaftlicher 


DRIVE. Er interessiert 

sich für mathematische 

Probleme der 

Kameraberechnung 

und objektorientierte 

Grafik. 

Sicherheit 

in Multimedia 

Electronic Mail 

Von Burkhard Wiegel 

und Jürgen Sander 

Für die globale Informationsgesellschaft 

ist Sicherheit zu einem wesentlichen 

Qualitätsmerkmal von Anwendungen 

und Kommunikationssystemen 

geworden. Mit der zunehmenden 

Nutzung verteilter und multimedialer 

Systeme sind die Anzahl potentieller 

Angreifer und der möglichen Bedrohungen 

gewachsen. Im Rahmen 

des BERKOM-Projekts Sicherheit 

in Multimedia Electronic Mail 

(MMMSec) werden im GMD-Institut 

für Offene Kommunikationssysteme 

Sicherheitsfunktionalitäten für offene 

Kommunikationssysteme entwickelt 

und beispielhaft in die Schnittstelle 

X.400 und SMTP Email (Simple Mail 

Transfer Protocol) integriert. 

Electronic Messaging ist einer der ältesten 

und am meisten verbreiteten, 

informationstechnischbasierten, globalen 

Kommunikationsdienste, er 

wird auch in Zukunft eine der zentralen 

Anwendungen in allen Bereichen 

der Informationsgesellschaft sein. 

Mit der Einführung von Multimedia 

Messaging entstanden neue Probleme. 

Im Gegensatz zu den wenigen Kilobytes, 

die durchschnittlich die Größe 

von ASCII-Nachrichten (American 

National Standard Code for Information 

Interchange) ausmachen, können 

multimediale Nachrichten sehr leicht 

Hunderte von Megabytes groß werden. 

Im Kontext von Internet Electronic 

Mail wurde die Problematik durch geeignete 

Definitionen innerhalb des 

MIME-Standards (Multipurpose Internet 

Mail Extensions) aufgegriffen. 

Für die Schnittstellen X.400/X.420 

wurden im Rahmen des BERKOM- 

Projekts „BERKOM-Multimedia-Mail 

Teleservice“ Erweiterungen des Nachrichtenformats 

X.420 entwickelt. 


Sicherheit in Multimedia- 

Messaging 

Electronic Messaging ist durch seine 

in hohem Maße verteilte Systemarchitektur 

extrem anfällig für die verschiedensten 

Sicherheitsbedrohungen. 

Die wesentlichen Grundbedrohungen 

sind unautorisiertes Lesen beziehungsweise 

Kopieren, Ändern, Erzeugen 

und Löschen von Nachrichten 

oder deren Inhalten. 

Es existieren heute sowohl für Internet 

Electronic Mail – PEM (Privacy 

Enhanced Mail) und PGP (Pretty 

Good Privacy) – als auch für X.400 

und X.420 – die Standards selbst – optionale, 

genormte Sicherheitsfunktionalitäten. 

Trotz der Verfügbarkeit 

werden diese Sicherheitsfunktionalitäten 

jedoch nur bei einem Bruchteil 

der Nachrichten im globalen Messaging 

angewendet. Diese Tatsache beruht 

unter anderem darauf, daß die 

existierenden Sicherheitsfunktionalitäten 

inkompatibel zwischen verschiedenen 

Implementierungen und 

sehr komplex sind. Für Benutzer und 

Administratoren sind sie schwierig zu 

bedienen und daher auch nur in die 

wenigsten existierenden User Agent- 

Programme integriert. Weiterhin ist 

festzustellen, daß die genormten Sicherheitsfunktionalitäten 

den technischen 

Wandel von monolithischen, 

textbasierten Inhalten zu multi-content/multi-mode-Nachrichten 

nicht 

nachvollzogen haben und bis heute eine 

globale Zertifizierungs- und Verteilungsinfrastruktur 

für öffentliche 

Schlüssel nicht realisiert ist. 

Das BERKOM-Projekt 

„MMMSec“ 

In MMMSec wurden für diese Problematiken 

mit Ausnahme des Key-Managements 

beispielhafte Lösungsansätze 

entwickelt. Für die Sicherheitskonzepte 

in MMMSec galten folgende 

Anforderungen: 

– Es werden nur User Agent/User 

Agent-Sicherheitsfunktionalitäten berücksichtigt 

und realisiert, da diese für 

das Message Transfer System transparent 

sind, und der Benutzer den Message 

Transfer System-Providern nicht 

zu vertrauen braucht. 


– Sicherheitsfunktionalitäten für einzelne 

X.420-Bodyparts, um die einzelnen 

Bestandteile einer Nachricht separat 

und unterschiedlich sichern zu 

können. 

– Sicherheit für externe Referenzen 

beziehungsweise die referenzierten 

Daten. 

– User Agent-Programme müssen 

mehrere Message-Formate und auch 

deren unterschiedliche User Agent/ 

User Agent-Sicherheitsfunktionalitäten 

unterstützen, da ein Konvertieren 

geschützter Nachrichten in Gateways 

nicht möglich ist. 

– Sicherheit soll unabhängig vom 

Message-Format dem Benutzer einfach 

und in homogener Oberflächenform 

angeboten werden. 

– Sicherheitsbasisdienste (Key-Management, 

kryptographische Mechanismen, 

etc.) werden durch eine allgemeine 

Sicherheitsplattform bereitgestellt 

und durch dynamisch konfigurierbare 

Sicherheitspolitiken und 

optionale Benutzereingaben gesteuert. 

MMMSec User Agent 

Zur Evaluierung, Demonstration und 

beispielhaften Integration der in 

MMMSec entwickelten Sicherheitskonzepte 

wurde das einfache User 

Agent-Programm „S-Mail“ imple- 

mentiert. Zur Zeit werden X.400(88) 

und Internet Electronic Mail sowie 

die jeweiligen Sicherheitsdienste 

X.420-Security-Bodypart und Privacy 

Enhanced Mail unterstützt. An der 

Integration von MOSS (MIME Object 

Security Services) und Pretty 

Good Privacy wird zur Zeit noch gearbeitet. 

Die Benutzeroberfläche bezüglich 

Sicherheit ist besonders einfach 

und objektorientiert gehalten 

und ist auch auf andere Anwendungen 

übertragbar. Über einen voreinstellbaren 

Expertenmodus ist in „S- 

Mail“ aber auch eine detaillierte Parameterisierung 

der Sicherheitsdienste 

unter Berücksichtigung der organisationsweiten 

Sicherheitspolitik möglich. 

In Abbildung 1 ist die Oberfläche für 

das Erstellen von Nachrichten dargestellt. 

Durch aussagekräftige Symbole 

– in der Abbildung zum Beispiel Signatur 

und Verschlüsselung – wird die 

Art der durch die Sicherheitspolitik 

voreingestellten Sicherheitsdienste für 

das aktuell bearbeitete Objekt angezeigt. 

Der Benutzer kann über 

ein entsprechendes Pop-Up-Menü 

zum Sicherheitsprofildialog gelangen, 

um die Auswahl im Rahmen der Sicherheitspolitikvorgaben 

zu verändern. 


User Agent im Projekt Sicherheit in Multimedia Electronic Mail 


Im Empfangsfall erfolgt die Präsentation 

von Sicherheit mit Hilfe analoger 

Objekte und Dialoge. 

Sicherheitspolitik 

Die Sicherheitspolitik ist die zentrale 

Steuerungskomponente des Sicherungskonzepts 

für Multimedia Mail. 

Über die Sicherheitspolitik wird für 

verschiedene Anwendungskontexte 

festgelegt, wie und mit welchen Sicherheitsdiensten 

und -mechanismen 

welche Datenobjekte mindestens oder 

maximal zu sichern sind. Sie wird von 

einem Sicherheitsadministrator für alle 

Benutzer der Domäne bindend 

festgelegt. Somit ist es möglich, technischen 

oder gesetzlichen Gegebenheiten 

nachzukommen, ohne Änderungen 

in der Anwendung vornehmen 

zu müssen. 

Sicherheitsprofile 

Für Anwender, die aktiv die Sicherheitsbehandlung 

beeinflussen möchten, 

wird ein Sicherheitsprofildialog 

(Abbildung 2) zur Verfügung gestellt, 

mit dem auf der Ebene von Sicherheitsprofilen 

Einstellungen vorgenommen 

werden können. Sicherheitsprofile 

abstrahieren von den standardisierten 

Sicherheitsdiensten der unterschiedlichen 

Nachrichtenformate, 

die zwar in der Benutzung, Terminologie 

und Realisierung sehr verschieden, 

aber in der Funktionalität selbst 

sehr ähnlich sind. Durch die Einführung 

von Sicherheitsprofilen und 

der Zuordnung von Symbolen erhält 

der Anwender eine homogene Sichtweise 

bezüglich der Sicherheit – auch 

über die Grenzen einer bestimmen 

Applikation hinaus, da das Sicherheitskonzept 

nicht anwendungsspezifisch 

ausgelegt ist. 



S-Mail: Security Processing Information 

Object Domain: BERKOM-BP Object Type: 

TEXT.IA5 

Security: 

NONE 

Integral Signed 

Int/Conf Sig/Conf 

Dialogbox bei Security Processing Information 

Blindtext für 

die Dialogbox 

bei Security 

Processing 

Information 

Sicherheitsplattform 

Die Realisierung von Sicherheit für 

Electronic Messaging erfordert eine 

Reihe von Funktionalitäten, die nicht 

Messaging-spezifisch sind, sondern in 

gleicher oder ähnlicher Weise auch 

von anderen Anwendungen benötigt 

werden, die Sicherheit integrieren. Im 

Projekt MMMSec wird das Sicherheits-Softwarepaket 

SecuDE eingesetzt, 

welches unter anderem das Key- 

Management mit Unterstützung von 

SmartCards und kryptographische 

Basismechanismen zur Verfügung 

stellt. Neben den schon erwähnten 

Komponenten für eine allgemeine Sicherheitsplattform 

wurden innerhalb 

des Projekts noch weitere Komponenten 

realisiert. 

X. 420 security bodypart 

X. 420 security 

bodypart 


bodypart 


bodypart 

any X. 420 

Bodypart 

BERKOM Security-Bodypart 

X.420-Sicherheits-Bodypart 

Mit den existierenden Sicherheitsfunktionalitäten 

von X.400 beziehungsweise 

X.420 können bisher nur 

komplette Nachrichteninhalte im 

Ganzen gesichert werden. Das ist für 

die multi-content/multi-mode-Nachrichten 

von Multimedia-Messaging 

nicht mehr adäquat, da für verschiedene 

Bodyparts einer Nachricht unterschiedlicheSicherheitsanforderungen 

bestehen können. Auch neuere 

Bodypart-orientierte Message-Store- 

Zugriffsprotokolle (IMAP, 95er P7), 

die Weiterverarbeitung von einzelnen 

Bodyparts oder der Einsatz von formatspezifischen 

kryptographischen 

Mechanismen macht Sicherheitsfunktionalitäten 

für einzelne Bodyparts 

notwendig. 

In MMMSec wurde daher unter Verwendung 

des X.420-Bodyparts „externally-defined“ 

ein neuer „X.420-Security-Bodypart“ 

spezifiziert. Dieser besteht 

aus einem Parameter- und einem 

Datenfeld und realisiert eine Sicherheitskapsel. 

Ein beliebiger Abstract 

Syntax Notation One-kodierter 

X.420-Bodypart kann durch Anwendung 

eines Sicherheitsdienstes in einen 

Security-Bodypart eingekapselt 

werden. Damit lassen sich beliebige 

Kombinationen der Sicherheitsbear- 


(eg.) 

encrypted-bodypart 

(eg.) 

signed-bodypart 

structure of 

any X.420 

bodypart 

(optional) 

Parameter 


Details 

Dismiss Default Help 

Data

eitungen schachteln. In Abbildung 4 

ist das Konzept schematisch dargestellt. 

Für Internet Electronic Mail 

existieren MOSS und S-MIME. 

Generische Objektsicherheit 

Für die Realisierung von User 

Agent/User Agent-Sicherheit sind 

keine Sicherheitsfunktionalitäten in 

den Schichten der involvierten Kommunikations-Stacks 

der MTS-Komponenten 

(Message Transfer System) 

notwendig. Sicherheit wird durch 

Schutz der Nachrichteninhalte transparent 

für das MTS realisiert. Die 

Nachrichteninhalte sind zum Zeitpunkt 

der Sicherheitsbearbeitung von 

einer Kommunikation unabhängige 

Datenobjekte, die allerdings speziellen 

Datenformaten unterliegen. 

Ein generisches Sicherheitswerkzeug 

(Security Mediator) wurde realisiert, 

mit dem Datenobjekte durch entsprechende, 

adaptierte Sicherheitswerkzeuge 

gesichert und entsichert werden 

können. Die Kontrolle der adaptierten 

Werkzeuge geschieht durch abstrakte 

Security Processing Information, 

welche aus den Vorgaben der Sicherheitspolitik 

und des Anwenders 

gebildet werden. Während der Sicherung 

beziehungsweise Entsicherung 

eines Objekts erzeugt der Security 

Mediator abstrakte Security Result 

Information mit den Resultaten des 

Vorgangs. Der Security-Mediator 

konvertiert zwischen abstrakter Security 

Processing Information beziehungsweise 

Security Result Information 

und den werkzeugspezifischen Parametern 

beziehungsweise Ergebniswerten. 

Die Oberflächenelemente sowie 

das Sicherheitspolitikmanagement 

arbeiten nur auf dieser Basis. 

Sicherheit für Externe Referenzen 

Zum Schutz von referenzierten Daten 

wurde ein Konzept entwickelt, bei 

dem die Sicherheitsfunktionalitäten 

transparent für den Global Store und 

die Transportprotokolle sind. Die referenzierten 

Daten sind durchgängig 

während der Speicherung und der 

Übertragung geschützt. Die entsprechenden 

Informationen, Parameter 

und Schlüssel werden dabei in die externe 

Referenz integriert. 



Ausblick 

MM-UA 

Sender 

Security 

transformation 

External Reference 

Produce Stub 

RDEK-Info, RMIC-Info 

Originator-Certificate 

Recipient-Infos … 

Sicherheitskonzept für Externe Referenzen 

Die im Rahmen von MMMSec entwickelten 

Konzepte und Komponenten 

für eine Sicherheitsplattform ermöglichen 

eine Integration von Sicherheitstechnologien 

in eine Vielzahl 

von Applikationen aus dem Bereich 

der Informations- und Kommunikationssysteme. 

Weiterhin sind durch die Möglichkeit, 

beliebige Datenobjekte zu schützen 

und im Anwendungskontext Electronic 

Mail zu übertragen, neue, 

sicherheitssensible Messaging-Anwendungen 

wie Electronic Banking oder 

Shopping einfach realisierbar. 

Darüber hinaus können durch die Offenheit 

der Konzepte weitere Sicherheitsdienste 

einfach und effizient integriert 

und über Sicherheitspolitiken 

gesteuert werden. 

Insbesondere ein Einsatz im World 

Wide Web bietet sich als weiteres Feld 

an, da die Inhalte des Hpertext Transfer-Protocol 

dem MIME-Standard 

entsprechen. 

Multimedia message 

Das Projekt ist eines aus einer Reihe 

von fünf Sicherheitsprojekten, die alle 

von der DeTeBerkom GmbH finanziert 

werden. Übergreifendes Ziel dieser 

Projektreihe ist die Entwicklung 

der generischen Sicherheitsplattform 

PLASMA (Plattform für sichere 

Multimedia-Anwendungen). Beteiligte 

Partner sind neben der GMD noch 

Siemens, der Rheinisch-Westfälische 

Technische Überwachungsverein und 

die Fraunhofer-Gesellschaft. 


From: 

To: 

Cc: 

Bodyparts 

External 

Reference { 

Security Information; 

} 

Global Store 

Security 

transformed 

RDO 

MM-UA 

Recipient 

Security 

transformation 

External Reference 

Resolve Stub 

.................................... 

Dipl.-Inform. Burkhard 

Wiegel und Dipl.- 

Inform. Jürgen Sander 

sind wissenschaftliche 

Mitarbeiter im GMD- 

Institut für Offene 

Kommunikationssysteme 

in Berlin. Ihr 

Arbeitsschwerpunkt 

liegt auf den Gebieten 

Sicherheit in offenen 

verteilten Kommunikationssystemen 

und 

multimediale Anwendungen.

Dr. Ing. Heinrich- 

Theodor Vierhaus 

Dr. Liliane Peters 

Dr.-Ing. Heinrich-Theodor Vierhaus, 

kommissarischer Leiter des 

GMD-Instituts für Systementwurfstechnik, 

ist zum 1. April 1996 

zum Universitätsprofessor an der 

Brandenburgischen Technischen 

Universität Cottbus berufen worden. 

Er vertritt dort das Fach 

Technische Informatik. Vierhaus 

hatte seine wissenschaftliche Laufbahn 

in der GMD im Jahr 1983 

begonnen, im Großprojekt „Entwurf 

Integrierter Schaltungen“ arbeitete 

er unter anderem auf dem 

Gebiet des Entwurfs und Tests 

von hochintegrierten Schaltungen. 

Er wurde 1992 Leiter des Forschungsbereichs„Entwurfsautomatisierung 

digitaler Systeme“ 

und zum 1. Januar 1994, nach dem 

Ausscheiden von Prof. Dr. Raul 

Camposano, kommissarischer Leiter 

des Instituts. Nachfolgerin von 

Vierhaus ist Dr.-Ing. Liliane Peters. 

Die neue kommissarische Institutsleiterin, 

die seit 1989 in der 

GMD arbeitet, hatte an der Technischen 

Hochschule Bukarest 

Elektrotechnik studiert. Nach einer 

ersten Berufstätigkeit in einem 

elektrotechnischen Betrieb in 

Rumänien wurde sie wissenschaftliche 

Hilfskraft und später wissenschaftliche 

Angestellte am Lehrstuhl 

für Allgemeine Elektrotechnik 

und Datenverarbeitungssysteme 

an der Rheinisch-Westfälischen 

Technischen Hochschule 

Aachen, wo sie im Jahr 1990 promovierte. 

In der GMD war sie 

zunächst Wissenschaftlerin im 

Großprojekt „Entwurf Integrierter 

Schaltungen“, im Oktober 1993 

wurde ihr die Leitung des Forschungsbereichs 

„Entwurf Innovative 

Anwendungen“ übertragen, 

zum 1. April 1995 übernahm sie 

darüber hinaus die ständige Vertretung 

des kommissarischen Institutsleiters. 

P E R S O N A L I E N 

Dr.-Ing. Peter Behr, kommissarischer 

geschäftsführender Leiter 

des GMD-Instituts für Rechnerarchitektur 

und Softwaretechnik, ist 

zum Honorarprofessor an der Universität 

Potsdam ernannt worden. 

Er vertritt dort am Institut für Informatik 

der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen 

Fakultät das 

Fachgebiet Technische Informatik. 

Dr. Herbert Burkert, Wissenschaftler 

im GMD-Institut für Medienkommunikation, 

ist zum Privatdozenten 

für Öffentliches 

Recht, insbesondere Informationsund 

Kommunikationsrecht, an der 

Universität St. Gallen ernannt 

worden. Burkert, der der GMD 

seit 1977 angehört, leitete eine 

Reihe von internationalen Projekten 

zum Informatikrecht und arbeitet 

als Berater zu nationalen 

und internationalen Fragen der Informationspolitik. 

Er ist Vorsitzender 

des Rechtsbeirats der 

Generaldirektion XIII der Europäischen 

Kommission. Seine 

Habilitationsschrift trägt den Titel 

„Verwaltungsinformationen: Zwischen 

Marktinteressen und Informationsverantwortung. 

Ein Beitrag 

aus öffentlich-rechtlicher 

Sicht“. 

Monika Fleischmann, Medienkünstlerin 

und künstlerische Leiterin 

im GMD-Institut für Medienkommunikation, 

ist in den Beirat 

Medien des Goethe-Instituts berufen 

worden. Die Beiräte des 

Goethe-Instituts geben der Münchener 

Zentralverwaltung in allen 

Fachbereichen Unterstützung bei 

der Gestaltung der Aufgaben des 

Goethe-Instituts im Rahmen der 

Auswärtigen Kulturpolitik der 

Bundesrepublik Deutschland. Die 

Wahlperiode für Beiräte beträgt 

drei Jahre. Mit zwei Projekten 

wurde Monika Fleischmann bereits 

direkt von einzelnen Goethe- 

Vertretungen im Ausland betraut. 

Für das Projekt „Woman And The 

Art Of Multimedia“ hat das 

Prof. Dr.-Ing. Peter Behr 

Dr. Herbert Burkert 

Monika Fleischmann 


Dr. Hartmut Surmann 

Dr. Saso Dzeroski 

Goethe-Institut Washington Monika 

Fleischmann als deutsches Mitglied 

in den Beirat berufen. Bei 

diesem Vorhaben handelt es sich 

um die Vorbereitung und Durchführung 

einer multimedial angelegten 

Konferenz, die im Mai 1997 

in Washington D.C. stattfinden 

und sich mit dem Themenkreis 

„Frauen und neue Medien“ auseinandersetzen 

wird. Monika 

Fleischmann wird auch Kuratorin, 

der gleichzeitig stattfindenden Medienausstellung 

sein. Für das Projekt 

Thessaloniki, Kulturhauptstadt 

Europa ’97, wurde sie vom 

Goethe-Institut beauftragt, als 

deutschen Beitrag ein Konzept zu 

realisieren, das ihre eigenen künstlerischen 

Arbeiten beziehungsweise 

in der GMD entstandene kulturelle 

Projekte präsentiert. 

Dr. Hartmut Surmann, Wissenschaftler 


Systementwurfstechnik, ist von 

der Arbeitsgemeinschaft der 

Deutschen KI-Institute (AKI) mit 

dem AKI-Dissertationspreis 1995 

ausgezeichnet worden. Das Thema 

der Arbeit heißt „Automatisierter 

Entwurf von Fuzzy-Systemen“. 

Dr. Saso Dzeroski, ERCIM Fellow 

1995, wurde am 20. März 1996 in 

Ljubljana, Slowenien, für seine 

Dissertation mit dem Titel „Numerical 

constraints and learnability 

in inductive logic programming“‚ 

die Goldene Jozef-Stefan- 

Medaille verliehen. Die Goldene 

Jozef-Stefan-Medaille ist der einzige 

Preis, der seit 1992 in Slowenien 

jährlich für Dissertationen vergeben 

wird. Hauptbewertungskriterium 

ist dabei die entsprechende 

Resonanz der Arbeit in der internationalen 

Wissenschaftsgemeinde 

P E R S O N A L I E N 

und ihr Potential für praktische 

Anwendungen. Dzeroskis Arbeit 

gehört zum Gebiet der induktiven 

Logikprogrammierung, die sich 

mit dem Lernen aus Beispielen 

unter der Verwendung der Prädikatenlogik 

befaßt. Vom 1. Mai 

1995 bis 30. April 1996 war Saso 

Dzeroski als ERCIM Fellow im 

GMD-Institut für Angewandte Informationstechnik 

beschäftigt, und 

vom 1. Mai bis 30. Oktober 1996 

hält er sich in gleicher Eigenschaft 

am FORTH Institute of Computer 

Science auf. In der GMD arbeitete 

er mit Dr. Stefan Wrobel und der 

Gruppe für Maschinelles Lernen 

an der Weiterentwicklung der Formalisierung 

des Lernens in Prädikatenlogik 

sowie an praktischen 

Anwendungen des maschinellen 

Lernens und der induktiven Logikprogrammierung 

zur Wissenserkennung 

in pharmazeutischen 

Datenbanken. Bei FORTH wird 

sich Dzeroski zusammen mit Prof. 

Vassilis Moustakis in erster Linie 

mit praktischen Anwendungen des 

maschinellen Lernens und der induktiven 

Logikprogrammierung 

bei der Wissenserkennung in Datenbanken 

befassen. 

Dipl.-Inform. Matthias Rarey, 

Wissenschaftler am GMD-Institut 


Wissenschaftliches Rechnen, promovierte 

am 11. Juli 1996 an der 

Mathematisch-Naturwissenschaftlichen 

Fakultät der Universität 

Bonn. Thema der Arbeit war die 

„Rechnergestützte Vorhersage von 

Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen“. 

Dr. Matthias Rarey 


Der GMD-Spiegel 2/3 – 1996 

GMD – Forschungszentrum 

Informationstechnik GmbH 

Vorstand (Geschäftsführung) 


Dr. jur. Heinz-Georg Sundermann 

Institute und Projekte 

Institut für Algorithmen und 

Wissenschaftliches Rechnen 

Leitung: 

Prof. Dr. rer. nat. Ulrich 

Trottenberg (geschäftsführend) 

Prof. Dr. rer. nat. Thomas 

Lengauer, PhD 

Institut für 

Telekooperationstechnik 

Leitung: 

Prof. Dr.-Ing. Heinz Thielmann 



Leitung: 

Dr. rer. pol. Peter Hoschka 

(geschäftsführend) 

Prof. Dr. rer. nat. Thomas 

Christaller 

Prof. Dr. techn. Alfred Kobsa 

Institut für Integrierte 

Publikations- und 

Informationssysteme 

Leitung: 

Prof. Dr. techn. Erich J. Neuhold 

Institut für Systementwurfstechnik 

Leitung: 

Dr.-Ing. Liliane Peters 

(kommissarisch) 

Institut für Rechnerarchitektur 

und Softwaretechnik 

Leitung: 

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang K. Giloi 

Prof. Dr.-Ing. Stefan Jähnichen 

Prof. Dr.-Ing. Peter Behr 

(kommissarisch geschäftsführend) 

G M D 

Stand: 30. September 1996 

Institut für Offene 

Kommunikationssysteme 

Leitung: 

Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Radu 

Popescu-Zeletin 

Institut für 

Medienkommunikation 

Leitung: 


(kommissarisch) 

Projektträger Fachinformation: 

Leitung: 

Dr. rer. pol. Hans-G. Klaus 

Projekt „Innovationsberatung 

und -entwicklung“ 

Leitung: 

Dr. rer. nat. Ronald Tost 

TechnoPark 

Leitung: 

Dr. rer. pol. Karlheinz Schunk 

GMD-Birlinghoven 

Schloß Birlinghoven 

D-53754 Sankt Augustin 

Telefon: (0 22 41) 14-0 

Telefax: (0 22 41) 14-28 89 

Telex: 8 89 469 gmd d 

Internet: 

http://www.gmd.de 

Electronic Mail: 

info�gmd.de 

Bildschirmtext: ✶ GMD � 

GMD-Darmstadt 

Rheinstraße 75 

D-64295 Darmstadt 

Telefon: (0 61 51) 8 69-0 

Telefax: (0 61 51) 8 69-2 24 

Dolivostraße 15 

D-64293 Darmstadt 

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GMD-Berlin 

Hardenbergplatz 2 

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Rudower Chaussee 5 

D-12489 Berlin-Adlershof 

Telefon: (0 30) 63 92-18 00 

Telefax: (0 30) 63 92-18 05 

GMD – German 

National Research 

Center for Information 

Technology 

GMD-Bureau Tokyo 

German Cultural Center 

Akasaka 7-5-56 

Minato-ku 

Tokyo 107 

Telephone: 

00 81-3-35 86-71 04 

Telefax: 

00 81-3-3586-7187

GMD – 



GmbH 

ISSN 0724-4339

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