適用于實時醫(yī)療成像的裸眼立體成像系統(tǒng)

1、適用于實時醫(yī)療成像的裸眼立體成像系統(tǒng)在成像技術(shù)中，一個非常有趣的領(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TakeyoshiDohi教授與他的同事研究了NVDIA的CUDA并行計算平臺之后認為，醫(yī)療成像是這種平臺非常有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。裸眼立體成像可通過多種方法實現(xiàn)，在Dohi教授的研究小組中，HogenLiao副教授與在成像技術(shù)中，一個非常有趣的領(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

2、作為多種專業(yè)應(yīng)用程序的實用技術(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(yī)療成像是這種平臺非常有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。裸眼立體成像可通過多種方法實現(xiàn)，在Dohi教授的研究小組中，Hogen Liao副教授與研究生Nicholas Herlambang研究出一種稱為Integral Videography（IV）的方法。該方法采用由微型透鏡陣列構(gòu)成的特殊顯示屏，在液晶面板上呈陣列狀布設(shè)微型凸鏡的構(gòu)造。各微型透鏡下分別約有100個液晶像素點，凸鏡將各像素點發(fā)出的光線投射到不同方向。通過不同方向的光線將對象再現(xiàn)

3、為三維形式，形成用戶看來似乎漂浮于空氣中的立體圖像。由于這種方法將三維圖像投影到空間，因此優(yōu)于為觀眾的左眼和右眼顯示不同圖像的傳統(tǒng)立體成像方法。使用IV，多名觀眾可同時在顯示屏前較大的區(qū)域內(nèi)觀看三維圖像，而且不必使用特殊的眼鏡，也不必進行視點跟蹤。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掃描實時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)為實時、立體、活體成像帶來了革命性的變化。但是，它的計算量極其龐大，僅體繪制本身就會帶來極高的處理工作量，況且此后還需要進一步處理來實現(xiàn)立體成像。對于每一個

4、圖像幀，都有眾多角度需同時顯示。將此乘以視頻中的幀數(shù)，您會看到令人震驚的龐大計算數(shù)量，且必須在很短的時間內(nèi)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來處理一些512x 512解析度的圖片，實時體繪制和立體再現(xiàn)要花費10秒鐘以上的時間才能生成一幀。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，這是當時性能最高的計算機。但可以得到的最佳結(jié)果也不過是每秒鐘五幀。從實用的角度考慮，這樣的速度還不夠快。遠距離觀察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

5、是被握在手中。即便在觀察者移動時，圖像依然保持“被握在手中”的可見狀態(tài)。要創(chuàng)建高解析度、立體的圖像，就要使用體繪制之類的處理方法，但需要極高的計算能力。體繪制和隨后轉(zhuǎn)換為IV格式都需要進行數(shù)據(jù)平行矢量計算。為此，最佳計算范式是GPU。相應(yīng)地，Liao和Herlambang 著手研究使用CUDA實現(xiàn)GPU計算，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)了一個原型系統(tǒng)。在使用CUDA的GPU上運行2001年研究所用的數(shù)據(jù)集時，性能提升到每秒13至14幀。UltraSPARC系統(tǒng)的成本高達數(shù)千萬日元，是GPU的上

6、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(tǒng)。這一舉措有望使性能獲得更大幅度的提升?！拔覀?yōu)椴⑿杏嬎阍u估了多種開發(fā)環(huán)境，”負責(zé)CUDA實現(xiàn)的研究人員Herlambang這樣說，“最終選擇了CUDA，因為它使我們能夠使用熟悉的C 語言語法進行開發(fā)。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 必將成為一種更強大的并行計算開發(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時查看來自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)生可以同時查看此類圖像，彼此溝通。這使部分醫(yī)生能夠同時進行關(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)生都能實時觀察手術(shù)過程。將龐大的并行計算陣列引入臨床設(shè)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。實驗室簡介東京大學(xué)信息科學(xué)和技