Interactive point based visualization for medical applications [Elektronische Ressource] / Bartosz von Rymon Lipiński

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 39
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Technische Universit¨at Munc¨ hen
Forschungsinstitut caesar in Bonn
Interactive Point-Based Visualization
for Medical Applications
Bartosz von Rymon Lipinski´
Vollst¨andiger Abdruck der von der Fakult¨at fur¨ Informatik der Technischen Universit¨at
Munc¨ hen zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Hans-Joachim Bungartz
Prufer¨ der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr. Dr.h.c.mult. Karl-Heinz Hoffmann
2. Univ.-Prof. Dr. Rudiger¨ Westermann
Die Dissertation wurde am 26.04.2007 bei der Technischen Universitat¨ Munc¨ hen
eingereicht und durch die Fakultat¨ fur¨ Informatik am 12.09.2007 angenommen.ii
cCopyright 2007 Bartosz von Rymon Lipins´ ki.
Alle Rechte vorbehalten.Zusammenfassung
Interaktive 3D Visualisierung spielt eine fundamentale Rolle in vielen aktuellen medizinis-
chen Anwendungen. Die effektive Nutzung von traditionellen Datenstrukturen und Ren-
deringtechniken wird aufgrund von immer gr¨oßer werdenden Datens¨atzen zunehmend zu
einer unub¨ erwindbaren Herausforderung. In dieser Arbeit wird daher die erste konsistente
L¨osung fur¨ eine rein punktbasierte medizinische Visualisierungskette vorgestellt.
Die entwickelten Methoden resultieren in einer kompakten Repr¨asentation von ge-
ometrischen Objekten und erm¨oglichen so nur die relevanten Datenbereiche zu betra-
chten. Alle virtuellen Modelle werden aus minimalen Punktprimitiven konstruiert, die nur
Positions- und Materialattribute beinhalten. Damit wird es m¨oglich die strikte Trennung
zwischenVolumenundOber߬achenaufzuhebenundeinenuniversellenModellierungsansatz
zu verfolgen. Die lineare Natur von Punktearrays wird fur¨ den Entwurf von Datenstruk-
turenkonsequentausgenutzt, umeineschnelleDatenverarbeitungundbeschleunigtesRen-
dering mit Grafikhardware zu erreichen. Darub¨ er hinaus unterstutzt¨ die resultierende
Einfachheit und Flexibilit¨at der Punktdaten die Implementierung von dynamischen Ge-
ometriemanipulationen, z.B. fur¨ die Simulation von chirurgischen Schnitten.
Die wichtigsten Beitr¨age dieser Arbeit umfassen zwei grundlegende Bausteine mod-
ernermedizinischerApplikationen: dieVisualisierungsketteundadaptiveDarstellungstech-
niken zum Erhalt von Interaktivit¨at. Der erste Teil beinhaltet ein punktbasiertes Explo-
rationssystem, z.B. fur¨ die Echtzeitextraktion von Isooberfl¨achen und schwellwertbasierten
3D Modellen. Der damit verbundene Single-Pass-Renderer verwendet Deferred Shading
und Funktionalit¨at programmierbarer Grafikhardware. Der zweite Teil bezieht sich auf ein
Progressive Refinement Framework, inklusive einer blickwinkelabh¨angigen Adaption der
Punktedichte, sowie einem sequentiellem Algorithmus zur Steuerung des Detailgrades. Bei
allen Techniken wurde auf die Verwendung von hierarchischen Informationen, zugunsten
von einfachen Datenschnittstellen und direktem Zugriff auf die Geometrie, verzichtet.
Die integrierte Natur des punktbasierten Ansatzes weist ein Potential fur¨ solche An-
wendungsbereiche auf, die auf eine nahtlose Visualisierungsinfrastruktur angewiesen sind.
Ein Beispiel dafur¨ ist der Operationssaal der Zukunft. Alle Techniken wurden in einer
wiederverwendbaren und erweiterbaren Softwarebibliothek zusammengefasst, um deren
weitere Verwendung in wissenschaftlichen und industriellen Projekten zu f¨ordern.
iiiiv ZusammenfassungAbstract
Interactive 3D visualization plays a fundamental role in many modern medical applica-
tions. Given the steady growth of dataset sizes, the effective utilization of traditional data
structures and rendering techniques becomes increasingly an insurmountable challenge.
Thus, this work presents the first consistent solution for a purely point-based medical
visualization pipeline.
Theproposedmethodsresultinacompactrepresentationofgeometry, makingitpossi-
ble to consider just relevant data portions. Virtual models are built from a set of minimal
pointprimitives,includingonlypositionandmaterialattributes. Thisallowstobreakwith
the strict separation between volumes and surfaces, effecting in a universal modeling ap-
proach. The linear nature of point arrays is consequently utilized for data structure design
inordertosupportfastprocessingandgraphics-hardware-acceleratedrendering. Addition-
ally, the resulting simplicity and flexibility of the point data facilitate the implementation
of dynamic changes in geometry, e.g. for simulating surgical fractions.
The main contributions of this work comprise two important building blocks of a state-
of-the-art medical application: the visualization pipeline and adaptive display techniques
for preserving interactivity. The first part includes a point-based data exploration system,
e.g.forreal-timeisosurfacingandthresholding. Theassociatedsingle-passrendererisusing
deferred shading and modern features of programmable graphics hardware. The second
part refers to a progressive refinement framework, including view-dependent adaptation of
point densities and a purely sequential level-of-detail algorithm. All techniques circumvent
the utilization of hierarchical information, effecting in simple data interfaces and direct
access to the geometry.
The integrated nature of the point-based approach exhibits potential for areas of ap-
plications, which require a seamless and interconnected visualization workflow, like the
operating room of the future. All techniques have been incorporated into a reusable and
extendiblesoftwarelibrary,focusingontheirutilizationinscientificandindustrialprojects.
vvi AbstractAcknowledgments
This work would have not been possible without the enduring support and seamless coop-
erationofthepeopleinvolved. First,IwouldliketothankProf.Dr.Dr.h.c.multKarl-Heinz
Hoffmann, Dr. Erwin Keeve and Prof. Dr. Rudig¨ er Westermann for their advice, the great
degree of freedom I have received to work on various scientific topics and the opportunity
to pursue my doctoral studies. I am also grateful to my colleagues and friends from the
Surgical Systems Lab at the research center caesar for many inspiring discussions about
computer graphics and medical visualization. In particular, I would like to thank Thomas
Jansen for his careful proofreading of the first draft of this work and Nils Hanßen for his
suggestions. My thanks go also to Dr. med. Timo Dreiseidler for the medical proofreading
and Dr. med. Lutz Ritter for his input on computer-assisted surgery. Additionally, I would
liketothankAlexanderWinterforprovidingthescreenshotsofthedistractionosteogenesis
planning application.
IwouldalsoliketoexpressmygratitudetothepeopleoftheDental3Dprojectandthe
associated industrial cooperation partners for their inspirations and helpful discussions.
My special thanks go to Dr. Joachim Hey for giving me the insight into the industrial
development of medical applications. I am also very grateful to all the people that have
made the many volume datasets public available.
Last but not least, I would like to thank my parents for their substantial motivation
and support over all the years. I am very grateful to my fianc´ee Monika for her great
love, tolerance and patience. My thanks go also to my sister for her very helpful spelling
corrections. Thank you all for helping me over the challenging times and your everlasting
trust, making it possible to accomplish my goals.
Data Sources
The Head and Legs datasets are courtesy of Prof. Dr. Dr. Hans-Florian Zeilhofer (De-
partment of Maxillofacial and Reconstructive Surgery, Kantonspital Basel, Switzerland).
The Ventricles dataset is courtesy of Prof. Dr. Hans Schild (Department of Radiology,
viiviii Acknowledgments
University of Bonn, Germany). The RP Micro-CT dataset is courtesy of Prof. Dr. Tille
(Munich University of Applied Sciences, Germany) and Prof. Dr. Seitz (University of Ro-
stock, Germany). The Stagbeetle dataset is courtesy of Prof. Dr. Eduard Gr¨oller (Insti-
tute of Computer Graphics and Algorithms, Vienna University of Technology, Austria),
Prof. Dr. Georg Glaeser (Institute for Art and Technology, Vienna University of Applied
Arts, Austria) and Johannes Kastner (Wels College of Engineering, Austria). The Dry
Skull datasets are courtesy of Dr. Joachim Hey (SiCAT GmbH, Bonn, Germany). The
Brain dataset is courtesy of the University of North Carolina, USA. The Visible Female
dataset is courtesy of the National Library of Medicine, USA.
The Abdomen, Marschner-Lobb and Vessels volume datasets are from Prof. Dr. Dirk
Bartz’s collection of real-life volume datasets available at http://www.volvis.org. They
are courtesy of Michael Meißner (Viatronix Inc., North Carolina, USA), Prof. Dr. Steve
Marschner (Department of Computer Science, Cornell University, USA) and Dr. Richard
Lobb (Department of Computer Science, University of Auckland, New Zealand), respec-
tively.
The Stanford Bunny, Engine Block, Sheep Heart and Tooth datasets are from Dr. Ste-
fan Roettger’s volume library, available at http://www9.informatik.uni-erlangen.de.
They are courtesy of Dr. Terry Yoo (High Performance Computing and Communications,
National Library of Medicine, USA), General Electric and Center for In-Vivo Microscopy
at the Duke University, USA, respe