適用于實(shí)時(shí)醫療成像的裸眼立體成像系統

“我們?yōu)椴⑿杏嬎阍u估了多種開(kāi)發(fā)環(huán)境，”負責CUDA實(shí)現的研究人員Herlambang這樣說(shuō)，“最終選擇了CUDA，因為它使我們能夠使用熟悉的C語(yǔ)言語(yǔ)法進(jìn)行開(kāi)挑戰

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(wú)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(zhù)娛樂(lè )方面的應用潛力，也可作為多種專(zhuān)業(yè)應用程序的實(shí)用技術(shù)。東京大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)研究生院機械信息系的Takeyoshi Dohi教授與他的同事研究了NVDIA的CUDA™并行計算平臺之后認為，醫療成像是這種平臺非常有前途的應用領(lǐng)域之一。

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

該系統為實(shí)時(shí)、立體、活體成像帶來(lái)了革命性的變化。但是，它的計算量極其龐大，僅體繪制本身就會(huì )帶來(lái)極高的處理工作量，況且此后還需要進(jìn)一步處理來(lái)實(shí)現立體成像。對于每一個(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，您會(huì )看到令人震驚的龐大計算數量，且必須在很短的時(shí)間內高度精確地完成這樣的計算。

在2001年的研究中，使用了一臺Pentium III 800 MHz PC來(lái)處理一些512 x 512解析度的圖片，實(shí)時(shí)體繪制和立體再現要花費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機器，這是當時(shí)性能最高的計算機。但可以得到的最佳結果也不過(guò)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

體繪制和隨后轉換為IV格式都需要進(jìn)行數據平行矢量計算。為此，最佳計算范式是GPU。相應地，Liao和Herlambang 著(zhù)手研究使用CUDA實(shí)現GPU，這是來(lái)自NVIDIA的通用C語(yǔ)言GPU開(kāi)發(fā)環(huán)境。

首先，研究人員使用最新一代的GPU GeForce® 8800 GTX開(kāi)發(fā)了一個(gè)原型系統。在使用CUDA的GPU上運行2001年研究所用的數據集時(shí)，性能提升到每秒13至14幀。UltraSPARC系統的成本高達數千萬(wàn)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，對于較大規模的體紋理數據，GPU的性能更為突出。

目前，這支研究小組正運用NVDIA最新的桌面端超級計算機Tesla™ D870，針對使用CUDA的Tesla優(yōu)化目前的IV系統。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(kāi)發(fā)系統的前提下利用速度更快的新生代GPU。如果某種環(huán)境使得調試大型CUDA程序成為可能，CUDA必將成為一種更強大的并行計算開(kāi)發(fā)環(huán)境，我們希望它在醫療成像處理領(lǐng)域中得到更廣泛的應用。”

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

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

Integral Videography(IV)原理示意圖

圖字：計算機內部處理 calculation of IV element image IV像素圖計算 Voxel data 三維數據 virtual lens array 虛擬透鏡陣列

Flat display 平面顯示屏

Space image formation:空間立體圖像構成

Micro convex lens array:微型透鏡陣列 observer：觀(guān)察者

解決方案

遠距離觀(guān)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(guān)察者移動(dòng)時(shí)，圖像依然保持“被握在手中”的可見(jiàn)狀態(tài)。要創(chuàng )建高解析度、立體的圖像，就要使用體繪制之類(lèi)的處理方法，但需要極高的計算能力。

效果

使用CUDA的IV系統