3D computergraphisches Modellierungswerkzeug f ̈ur biologische Zellen

Abstract

Ein wichtiger Aspekt bei der Simulation von zellbiologischen Prozessen ist die Betrachtung räumlicher Bewegungsprozesse, wie Diffusion oder der Transport von Stoffen. Damit diese Prozesse im Computer dargestellt werden können, muss für die Simulation ein dreidimensionales Modell einer Zelle zur Verfügung stehen. Dieses Modell muss neben den geometrischen Informationen auch das Wissen darüber besitzen, was es darstellen soll. Insbesondere müssen einzelne Zellkomponenten, wie Zellkern oder Mitochondrien, im Modell vorhanden sein, die jede für sich spezielle Funktionen und Eigenschaften besitzen. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, ein computergrafisches Zellmodell in einer objektorientierten Datenstruktur abzubilden. Die entwickelte Zell-Repräsentation wurde so konzipiert, dass sie flexibel erweiterbar ist, dass es also möglich ist, die Zelle je nach Anforderungen in Zellkomponenten zu untergliedern und diese entsprechend ihrer semantischen Bedeutung im Modell zu erfassen. Jede einzelne Zellkomponente kann für sich auch wieder in Unterkomponenten untergliedert werden, so dass ein Baukasten-System mit mehreren verschachtelten Modellierungsebenen entwickelt werden kann. Um eine intuitive Gestaltung eines Zellmodells auf Basis des entwickelten Darstellungsansatzes zu ermöglichen wurde eine Benutzeroberfläche entwickelt, die für diesen Zweck mehrere Modellierungswerkzeuge zur Verfügung stellt. Dieses Framework ermöglicht die Modellierung eines dreidimensionalen Zellmodells nach dem Baukastenprinzip sowie die Veränderung der semantischen Eigenschaften der Zelle und der Zellkomponenten. Das Programm wurde in der Programmiersprache C++ mit Hilfe des FOX Windowing Toolkits und der OpenSceneGraph Szenengraph-API entwickelt. Das Darstellungskonzept für die biologischen Zellen wurde so allgemein wie möglich formuliert, um den Einsatz für die unterschiedlichsten Problemstellungen zu ermöglichen. Dafür ist eine problembezogene Weiterentwicklung des Konzeptes notwendig. Am Ende der Arbeit wurde das Grundkonzept für die Modellierung von Hefezellen erweitert, was als Beispiel für mögliche Weiterentwicklungen dienen soll. Die zukünftige Aufgabe ist es nun, Simulationsprogramme zu entwickeln, die die dreidimensionalen Zellmodelle mit den entsprechenden Simulationsmethoden verbinden und somit die räumliche Darstellung simulierter Zellprozesse ermöglichen.