Трехмерная визуализация и реконструкция человека и его органов

Руководитель проекта: Турлапов В.Е. – д.т.н., профессор кафедры МОЭВМ ННГУ им. Н.И.Лобачевского

Коллектив:

  • Н.И.Гаврилов – м.н.с. НИЛ кафедры МОЭВМ, ННГУ им. Н.И.Лобачевского
  • А.А.Белокаменская — аспирант кафедры МОЭВМ, ННГУ им.Н.И.Лобачевского,

Описание проекта

Два знаковых события для инновационной медицины будущего произошли совсем недавно: компания IBM, мировой лидер производства суперЭВМ, в 2008 году стартовала проекты по использованию 3D модели пациента как основы его медицинской карты; в США в мае 2011 года появилась экспериментальная модель виртуального анатомического стола, базовой функцией которого является 3D-реконструкция пациента по данным томографии. Появившаяся в последние годы многосрезовая компьютерная томография (МСКТ) позволяет за 10-15 секунд получить томограмму всего тела с толщиной среза менее 1 мм. Такая томограмма может состоять из 3500 слоев разрешения 512х512 (порядка 1 гигавокселя) и занимает объём памяти от 1.5 Гб и более. Для качественной трёхмерной реконструкции гигавоксельных данных нужен специальный высокопроизводительный инструментарий.

5073_1 s_12_10

В направлении мировых тенденций по 3D реконструкции томограмм в реальном времени и использованию 3D модели пациента, как основы его медицинской карты, с 2009 года активно работает лаборатория в Нижегородском государственном университете им. Н.И.Лобачевского. Больших успехов достиг проект «3D-визуализатор томограмм», выполненный в составе госконтракта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Проект был направлен на достижение наивысших производительности и качества 3Dреконструкции результатов томографии внутренних органов человека, и, на этой основе, на сведение воедино результатов томограмм всех типов в одной трехмерной модели с целью увеличения точности диагностики и качества лечения. Основным конкурентом в этой области является компания Fovia, мировой лидер в производительности и качестве 3D реконструкции томограмм.

Основные результаты

Коллективом лаборатории компьютерной графики ННГУ создан программный комплекс со следующими интересными для врачей свойствами и характеристиками:

  • Реализованный алгоритм визуализации позволяет добиться реального времени для совместной 3D-визуализации нескольких томограмм, заданных в разных системах координат. Возможно отображение нескольких томограмм разного типа в одном объеме, и одной томограммы в разных техниках визуализации (более 10 техник, среди них:MIP, MinIP, MIDA, DVR и т.д.).
  • Есть возможность отсечения визуализируемой области данных трехмерной сеткой, управляемой пользователем.
  • Реализовано несколько стереорежимов.3501_2
  • Реализован целый ряд приемов улучшения качества визуализации:
    1. трикубическая фильтрация данных;
    2. накопление кадра во времени;
    3. реструктуризация и обработка данных средствами видеокарты;
    4. метод адаптивного шага луча;
    5. прединтегрированный объёмный рендеринг;
    6. метод разбиения шага луча.

С помощью блочного представления данных снято ограничение для GPU на максимальный объем томограммы в 512³ вокселей, а использование блоков разных размеров обеспечивает дополнительный прирост производительности и экономию памяти GPU. В нашем программном комплексе используется собственная эффективная реализация блочного метода.

1

В ННГУ реализован и исследован популярный метод прединтегрированного рендеринга, создан новый метод разбиения шага для постклассификационной модели визуализации. В устранении артефактов новый метод показал себя настолько же эффективным, как и прединтегрированный рендеринг, а в случае использования освещения даже более эффективным. В итоге, программным комплексом достигнуты производительность и качество 3D визуализации томограмм на уровне лучших мировых образцов (таких как Fovia). Это позволит, используя технику среднего класса, оснастить функциями 3D-визуализатора и «виртуального анатомического стола» рабочее место врача-клинициста, преподавателя и студента медицинского вуза, а также дать врачу и пациенту доступ к результатам всех типов обследований в одной трёхмерной модели (трехмерная карта пациента). Созданное высокопроизводительное ПО станет основой организации на гетерогенных вычислительных кластерах различных, в том числе облачных, образовательных сервисов в области медицины и биологии.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», госконтракт № 02.740.11.0839 и гранта Президента РФ № НШ-1960.2012.9