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GPU-assisted Diagnosis and Visualization of Medical Volume Data

  • This thesis focuses on the utilization of modern graphics hardware (GPU) for visualization and computation purposes, especially of volumetric data from medical imaging. The considerable increase in raw computing power in recent years has turned commodity systems into high-performance workstations. In combination with the direct rendering capabilities of graphics hardware, "visual computing" and "computational steering" approaches on large data sets have become feasible. In this regard several example applications and concepts such as the "ray textures" have been developed and are discussed in detail. As the amount of data to be processed and visualized is steadily increasing, memory and bandwidth limitations require compact representations of the data. While the compression of image data has been investigated extensively in the past, the thesis addresses possibilities of performing computations directly on the compressed data. Therefore, different categories of algorithms are identified and represented in the wavelet domain. By using special variants of the compressed format, efficient implementations of essential image processing algorithms are possible and demonstrate the potential of the approach. From the technical perspective, the GPU-based framework "Cascada" has been developed in the course of this thesis. The introduction of object-oriented concepts to shader programming, as well as a hierarchical representation of computation and/or visualization procedures led to a simplified utilization of graphics hardware while maintaining competitive performance. This is shown with different implementations throughout the contributions, as well as two clinical projects in the field of diagnosis assistance. On the one hand the semi-automatic segmentation of low-resolution MRI data sets of the human liver is evaluated. On the other hand different possibilities in assessing abdominal aortic aneurysms are discussed; both projects make use of graphics hardware. In addition, "Cascada" provides extensions towards recent general-purpose programming architectures and a modular design for future developments.
  • Die Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz moderner Grafikhardware (GPU) für die Visualisierung und Verarbeitung medizinischer Volumendaten. Die zunehmende Steigerung der Rechenleistung ermöglicht den Einsatz von Standardsystemen für Anwendungsgebiete, die bisher nur speziellen Workstations vorbehalten waren. Zusammen mit dem wesentlichen Vorteil von Grafikhardware Daten direkt anzeigen zu können, sind Verfahren wie visualisierungsgestütztes Berechnen ("visual computing") oder interaktives Steuern von Berechnungen ("computational steering") erst möglich geworden. Darauf wird anhand mehrerer Beispielanwendungen und umgesetzten Konzepten wie den "ray textures" im Detail eingegangen. Da die zu verarbeitenden und darzustellenden Datenmengen stetig ansteigen, ist aufgrund von Speicher- und Bandbreiteneinschränkungen eine kompakte Repräsentation der Daten notwendig. Während die Datenkompression selbst eingehend erforscht wurde, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten, Berechnungen direkt auf den komprimierten Daten durchführen zu können. Dazu wurden verschiedene Algorithmenklassen identifiziert und in die Wavelet-Domäne übertragen. Mit Hilfe von speziellen Varianten der komprimierten Repräsentation ist eine effiziente Umsetzung grundlegender Bildverarbeitungsalgorithmen möglich und zeigt zugleich das Potential dieses Ansatzes auf. Aus technischer Sicht wurde im Laufe der Arbeit die GPU-basierte Programmierumgebung "Cascada" entwickelt. Sowohl die Einführung von objektorientierten Konzepten in die Shaderprogrammierung, als auch eine hierarchische Repräsentation von Berechnungs- und/oder Visualisierungsschritten vereinfacht den Einsatz von Grafikhardware ohne wesentliche Leistungseinbußen. Dies wird anhand verschiedener Implementationen in den jeweiligen Beiträgen und zwei klinischen Projekten im Bereich der Diagnoseunterstützung gezeigt. Hierbei geht es zum einen um die semi-automatische Segmentierung der Leber in niedrig aufgelösten MR-Datensätzen, zum anderen um Möglichkeiten zur Vermessung von abdominalen Aortenaneurysmen; jeweils unterstützt durch Grafikhardware. Darüber hinaus ermöglicht "cascada" auch die Erweiterung hinsichtlich aktueller Architekturen für den universellen Einsatz von Grafikhardware, sowie künftige Entwicklungen durch ein modulares Design.

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Metadaten
Author:Matthias Raspe
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-4248
Title Additional (German):GPU-unterstützte Diagnose und Visualisierung medizinischer Volumendaten
Advisor:Stefan Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2009/08/10
Date of publication:2009/08/10
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Date of final exam:2009/08/07
Release Date:2009/08/10
Tag:Datenkompression; Diagnoseunterstützung; Gefäßanalyse
Data compression; Diagnosis assistance; Vascular analysis
GND Keyword:Bildsegmentierung; Bildverarbeitung; Graphik-Hardware; Software Engineering; VIACOBI; Volumen-Rendering; Wavelet
Number of pages:xiv, 248
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Computervisualistik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG