適用于實(shí)時(shí)醫(yī)療成像的裸眼立體成像系統(tǒng)

時(shí)間：2010-11-15 18:27:14

關(guān)鍵字：醫(yī)療成像成像系統(tǒng) GPU BSP

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[導(dǎo)讀]　　Integral Videography（IV）原理示意圖　　　　圖字：計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理 calculation of IV element image IV像素圖計(jì)算 Voxel data 三維數(shù)據(jù) virtual lens array 虛擬透鏡陣列　　Flat display 平面顯示屏　　Spac

　　Integral Videography（IV）原理示意圖

　　圖字：計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理 calculation of IV element image IV像素圖計(jì)算 Voxel data 三維數(shù)據(jù) virtual lens array 虛擬透鏡陣列

　　Flat display 平面顯示屏

　　Space image formation：空間立體圖像構(gòu)成

　　Micro convex lens array：微型透鏡陣列 observer：觀察者

　　解決方案

　　遠(yuǎn)距離觀察IV圖像的示例。在顯示屏前兩米的位置形成非常逼真、立體的黃色竹竿圖像，看上去就像是被握在手中。即便在觀察者移動(dòng)時(shí)，圖像依然保持“被握在手中”的可見狀態(tài)。要?jiǎng)?chuàng)建高解析度、立體的圖像，就要使用體繪制之類的處理方法，但需要極高的計(jì)算能力。

　　效果

　　使用CUDA的IV系統(tǒng)

　　“我們?yōu)椴⑿杏?jì)算評(píng)估了多種開發(fā)環(huán)境，”負(fù)責(zé)CUDA實(shí)現(xiàn)的研究人員Herlambang這樣說，“最終選擇了CUDA，因?yàn)樗刮覀兡軌蚴褂檬煜さ腃語言語法進(jìn)行開發(fā)。

　　在成像技術(shù)中，一個(gè)非常有趣的領(lǐng)域就是裸眼立體成像技術(shù)，它無需特殊眼鏡就能顯示三維立體圖像。這種有趣的技術(shù)不僅有著娛樂方面的應(yīng)用潛力，也可作為多種專業(yè)應(yīng)用程序的實(shí)用技術(shù)。東京大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)研究生院機(jī)械信息系的Takeyoshi Dohi教授與他的同事研究了NVDIA的CUDA™并行計(jì)算平臺(tái)之后認(rèn)為，醫(yī)療成像是這種平臺(tái)非常有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

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　　自2000年以來，這所大學(xué)的研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種系統(tǒng)，通過CT或MRI掃描實(shí)時(shí)獲得的活體截面圖被視為體紋理，這種系統(tǒng)不僅能夠通過體繪制再現(xiàn)為三維圖像，還可作為立體視頻顯示，供IV系統(tǒng)使用。

　　該系統(tǒng)為實(shí)時(shí)、立體、活體成像帶來了革命性的變化。但是，它的計(jì)算量極其龐大，僅體繪制本身就會(huì)帶來極高的處理工作量，況且此后還需要進(jìn)一步處理來實(shí)現(xiàn)立體成像。對(duì)于每一個(gè)圖像幀，都有眾多角度需同時(shí)顯示。將此乘以視頻中的幀數(shù)，您會(huì)看到令人震驚的龐大計(jì)算數(shù)量，且必須在很短的時(shí)間內(nèi)高度精確地完成這樣的計(jì)算。

　　在2001年的研究中，使用了一臺(tái)Pentium III 800 MHz PC來處理一些512 x 512解析度的圖片，實(shí)時(shí)體繪制和立體再現(xiàn)要花費(fèi)10秒鐘以上的時(shí)間才能生成一幀。為了加速處理，研究小組嘗試使用配備60塊CPU的UltraSPARC III 900 MHz機(jī)器，這是當(dāng)時(shí)性能最高的計(jì)算機(jī)。但可以得到的最佳結(jié)果也不過是每秒鐘五幀。從實(shí)用的角度考慮，這樣的速度還不夠快。

　　解決方案

　　體繪制和隨后轉(zhuǎn)換為IV格式都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)平行矢量計(jì)算。為此，最佳計(jì)算范式是GPU。相應(yīng)地，Liao和Herlambang 著手研究使用CUDA實(shí)現(xiàn)GPU，這是來自NVIDIA的通用C語言GPU開發(fā)環(huán)境。

　　首先，研究人員使用最新一代的GPU GeForce® 8800 GTX開發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)。在使用CUDA的GPU上運(yùn)行2001年研究所用的數(shù)據(jù)集時(shí)，性能提升到每秒13至14幀。UltraSPARC系統(tǒng)的成本高達(dá)數(shù)千萬日元，是GPU的上百倍，而GPU卻交付了幾乎等同于其三倍的性能，研究人員為此感到十分驚訝。不僅如此，根據(jù)小組的研究，NVIDIA的GPU比最新的多核CPU至少要快70倍。另外，測試顯示，對(duì)于較大規(guī)模的體紋理數(shù)據(jù)，GPU的性能更為突出。

　　目前，這支研究小組正運(yùn)用NVDIA最新的桌面端超級(jí)計(jì)算機(jī)Tesla™ D870，針對(duì)使用CUDA的Tesla優(yōu)化目前的IV系統(tǒng)。這一舉措有望使性能獲得更大幅度的提升。

　　效果

　　此外，我們還可以在不必修改已開發(fā)系統(tǒng)的前提下利用速度更快的新生代GPU。如果某種環(huán)境使得調(diào)試大型CUDA程序成為可能，CUDA必將成為一種更強(qiáng)大的并行計(jì)算開發(fā)環(huán)境，我們希望它在醫(yī)療成像處理領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。”

　　如果能夠以立體方式實(shí)時(shí)查看來自CT和MRI的圖像，醫(yī)生就能夠檢查病患組織的狀態(tài)并做出診斷，而無需活體檢查和外科處理。此外，某些醫(yī)生可以同時(shí)查看此類圖像，彼此溝通。這使部分醫(yī)生能夠同時(shí)進(jìn)行關(guān)節(jié)鏡手術(shù)和其他微創(chuàng)型外科技術(shù)，而每名外科醫(yī)生都能實(shí)時(shí)觀察手術(shù)過程。

　　將龐大的并行計(jì)算陣列引入臨床設(shè)備非常困難，但GPU和Tesla的強(qiáng)大計(jì)算能力使得提供緊湊的并行計(jì)算模塊成為可能。

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