適用于實(shí)時(shí)醫(yī)療成像的裸眼立體成像系統(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)行開挑戰(zhàn)

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。

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(cè)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。

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)