Моделирование в цифровой биомедицине-1 (Моделирование в цифровой биомедицине В. Е. Турлапов)

Задачи и решения компьютерной графики1Задачи и решения компьютерной графики и геометрическогомоделирования в цифровой биомедицине∗В. Е. Турлаповvadim.turlapov@cs.vmk.unn.ruНижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, РоссияДается обзор сегодняшнего состояния развития в основном открытого программного обеспечения компьютерной графики и геометрического моделирования, обслуживающего задачи трехмерной цифровойбиомедицины.

Раскрывается арсенал библиотек, программных комплексов и систем, как ресурс вычислительной геометрии и геометрического моделирования, медицинской 3D визуализации, сегментации,геометрической реконструкции. Демонстрируются новые 3D технологии в медицине, созданные на базе этих и аналогичных библиотек. Обсуждаются проблемы биомедицины пока нерешенные графическимсообществом и пути их решения, в том числе: детектирование и количественная оценка 3D аномалийдля автоматизации диагностики; персонализация параметризованной модели анатомии человека, путемэкстракции параметров из персональной томограммы.Ключевые слова: Компьютерная графика, геометрическое моделирование, 3D цифровой биомедицине,проблемы, решения, обзорProblems and solutions of computer graphics and geometric modeling todigital biomedicine∗Vadim E.

TurlapovLobachevsky State University of Nizhni Novgorod, RussiaIn connection with the progress of tomography, bioimaging, microscopy, and computer technology, digitalbiomedicine is intensively developing as a basis for innovative medicine and public health. Computer graphics and geometry play a key role in this development. Here we review the current state of development of mainlyopen-source software of computer graphics and geometric modeling, three-dimensional digital service tasks ofbiomedicine. The arsenal of libraries, software packages and systems, which can be used in solving the actualproblems, is surveyed. The focus is on the libraries of computational geometry and geometric modeling, 3D medical imaging, segmentation, geometric reconstruction.

New 3D medical technologies based on these and similarlibraries are demonstrated. We discuss the problems of biomedicine not yet solved by the graphic community aswell as the ways to solve them. These problems include (i) detection and quantification of 3D abnormalities to automate diagnosis and (ii) personalization of the parameterized model of human anatomy by extracting parametersfrom a personal tomography.Keywords: Computer Graphics, Geometric Modeling, 3D Digital Biomedicine, Problems, Solutions, Review1. ВведениеБиомедицина – раздел медицины, изучающий организм человека с теоретических позиций. Она включает сведения и исследования общие медицине ифундаментальным биологическим наукам, таким,как биохимия, биология, в том числе нейробиология, гистология, генетика, эмбриология, анатомия,физиология, патология, биомедицинский инжиниринг, зоология, ботаника и микробиология.

Биомедицина создает фундамент для всех медицинскихприложений, диагностики и лечения, делает возможным внутриклеточное и молекулярное понимание механизмов болезни, появление новых лекарственных средств, стволовых клеток для клеточной терапии. На переживаемом нами уровне развития науки и технологий вектор развития цифроРабота поддержана грантом (соглашение от 27 августа 2013г. № 02.В.49.21.0003 между МО РФ и ННГУ).

Работа опубликована при финансовой поддержке РФФИ, грант 15-0720347вой биомедицины отчетливо направлен в сторонутрехмерной биомедицины, как самой высокотехнологичной и инновационной. Данный обзор посвящен достижениям компьютерной графики и геометрического моделирования, которые обеспечилисовременное развитие 3D биомедицины, ряду интересных результатов этого развития и проблемам,которые остаются нерешенными и ожидают усилийсо стороны сообщества компьютерной графики.Вызовом для развития трехмерной цифровой биомедицины послужило взрывное развитие томографии и трехмерной электронной микроскопии,создающих последовательности двумерных слоеввысокого разрешения.

Быстро обнаружилось, чтотрехмерные данные способны качественно улучшить результаты диагностики и исследований, если будут созданы методы и программное обеспечение (ПО) 3D обработки и визуализации этих данных, и, на их основе, новые трехмерные технологии в медицине и биологии.

В связи с этим передкомпьютерной графикой и геометрическим моде-Юбилейная 25-а Международная конференция (GraphiCon2015), Россия, Протвино (Парк Дракино), 22–25 сентября 2015 г.25th Anniversary International Conference (GraphiCon2015), Russia, Protvino (Park Drakino), September 22–25, 20152лированием возникли следующие задачи: 1) высокопроизводительная 3D визуализация и сегментация томограмм, хранимых в специальном формате DICOM; 2) параметризованное геометрическоемоделирование человека, его органов и систем; 3)трехмерная сегментация и геометрическая реконструкция органов и человека в целом по данным томографии и другим источникам; 4) детектированиеаномалий и их количественная 2D-3D оценка (автоматизация диагностики).

Разумеется геометрияи графика в биомедицине должны поддерживать ифункциональное моделирование человека, его органов, систем и манипулирование ими так, как этоделается на этапах пред- и постпроцессинга в инженерных системах. Выходом такого функционального моделирования должны быть исследовательскиеи обучающие системы виртуальной реальности.2. Обзор существующих разработок2.1 Высокопроизводительная 3D визуализация и сегментация томограммПожалуй наиболее существенный вклад в созданиепрограммного обеспечения современной биомедицины внесла компания Kitware, Inc.(www.kitware.com, USA-1998). Она организоваласоздание целой серии Open Source программных продуктов, жизненно необходимых трехмерной цифровой биомедицине.

Прежде всего это:1) Visualization Toolkit (VTK, www.vtk.org) – программный комплекс для обработки изображений,полигональной 3D графики и научной визуализации;2) Insight Segmentation and Registration Toolkit(ITK, www.itk.org) – программный комплекс длясегментации трехмерных медицинских данных, получивший в США статус национальной библиотекипрограмм для создания медицинских систем;3) CMake – обеспечение сборки сложных систем,которое первоначально разрабатывалось для сборки ITK и ITK-приложений.

CMake управляетпроцессом сборки используя простые платформои компиляторо-независимые конфигурационныефайлы;4) ParaView (www.paraview.org) – открытая система высокопроизводительной научно-техническойвизуализации, реализующая практически все существующие на сегодняшний день приемы научнойвизуализации.Имеет она и возможности медицинской 3D визуализации.

Сегодня Kitware не только продолжает работать в Medical Computing, в HPC &Visualization и Software Process, но и расширила свои интересы на Computer Vision и Data &Analytics. Активными партнерами Kitware являются более 80 университетов и научных центровСША.Турлапов В. Е.Десятилетний совместный проект лабораторииPenn Image Computing and Science Laboratory(PICSL, университета штата Пенсильвания) и института Scientific Computing and Imaging (SCI,университет штата Юта), поддержанный грантом National Institute of Biomedical Imaging andBioengineering (NIBIB), закончился созданием компактного и сравнительно простого в использованиикомплекса ITK-SNAP (www.itksnap.org).

Комплексориентирован на интерактивную сегментацию с одновременной работой оператора в трех ортогональных проекциях и на использование в каждой изпроекций возможностей метода активного контура (snake) развитых авторами. К настоящему времени пользователями ITK-SNAP в мире сделаныуже многие сотни публикаций. В сфере 3D сегментации и визуальной реконструкции микрофотографий с электронных микроскопов (ЭМ), которая пока требует существенно большего участия специалиста, разработан открытый программный комплекс ILASTIK (http://ilastik.org), ориентированный на интерактивную классификацию, сегментацию и последующий анализ. Модульное ПО обеспечивает автоматизированную пиксельную и объектную классификацию, полуавтоматический трекингобъектов, полуавтоматическую сегментацию и подсчёт объектов без их детектирования.Рис.

1: Сайт компании Fovia Inc., представляющийRHDVRILASTIK разработан специальной командой университета Гейдельберга (Heidelberg Uni., Germany)при финансовой поддержке ряда сообществ иорганизаций: Heidelberg Collaboratory for ImageProcessing (HCI); HHMI (Howard Hughes MedicalInstitute) Janelia Farm Research Campus; CellNetworksExcellence Cluster (www.cellnetworks.uni-hd.de). Вмедицинской 3D визуализации результатов томографии есть и коммерческие программные комплексы. Самым известным из них остается продуктЗадачи и решения компьютерной графикиR (High Definition Volume Rendering)Fovia HDVRфирмы Fovia Inc.

(California, USA, www.fovia.com),встроенный в ПО большей части зарубежных томографов (Рис.1). Существенной чертой этого продукта является отказ от использования графических процессоров.На российском рынке есть продукт фирмы Inobitec(www.inobitec.ru, Москва), позиционируемый какRотечественный аналог HDVR.Этот продуктR только производипрактически уступает HDVRтельностью. Возможно рекордную на сегодняшний день производительность имеет открытыйDICOM визуализатор InVols, разработанный вННГУ им. Н.И. Лобачевского. Invols использует лучшие современные алгоритмы DVR, включая предварительное интегрирование и блочнуюдекомпозицию, оптимизирован под архитектуруGPU.