A MEDIP - PLATFORMFÜGGETLEN SZOFTVER KERETRENDSZER ORVOSI KÉPFELDOLGOZÁSHOZ PROJEKT BEMUTATÁSA

Átírás

1 A MEDIP - PLATFORMFÜGGETLEN SZOFTVER KERETRENDSZER ORVOSI KÉPFELDOLGOZÁSHOZ PROJEKT BEMUTATÁSA THE MEDIP PLATFORM INDEPENDENT SOFWARE SYSTEM FOR MEDICAL IMAGE PROCESSING PROJECT Emri Miklós, Hajdu András, Kormos János, Lencse Zsolt Debreceni Egyetem, PET Centrum, 4026 Debrecen, Bem tér 18/c. Debreceni Egyetem, Informatikai Kar, 4010 Debrecen, Pf. 12) 1. Bevezetés Az orvosi képfeldolgozással foglalkozó kutatók és klinikusok számára az irodalomból megismert korszerű módszerek (pl. szegmenteció, regisztráció, 2D- és 3D képfúzió, digitális agyatlasz-technika, 3D felületmodellezés) és szoftverek rendkívül nehezen, vagy egyáltalán nem érhetők el, mivel az új fejlesztéseket elsősorban tudományos céllal, kutatólaboratóriumokban, valamint komoly informatikai háttérrel rendelkező klinikákon dolgozzák ki. Amennyiben ezek a szoftverek elérhetővé válnak, klinikai alkalmazásuk azért nem tekinthető optimálisnak, mert fejlesztőik igényei szerint készültek, így integrálásuk a helyi diagnosztikai rendszerbe körülményes, gyakran lehetetlen. Az orvosi képfeldolgozással foglalkozó cégek csak nehezen tudják implementálni saját szoftvereikbe az irodalomban megjelenő legújabb algoritmusokat, mert a két szoftverfejlesztési stratégia - azaz a saját kutatási célra és a kereskedelmi célra történő fejlesztés - között lényeges különbségek vannak. A kutatóintézetekben a cél a gyors fejlesztés: elegendő az ismert fájlformátumok használata, megengedett bármilyen helyben meglévő vagy implementált szoftver, vagy szoftverkönyvtár alkalmazása. Ezek a programok általában egyszerű, az adott célnak megfelelő felhasználói felülettel rendelkeznek. A szoftverfejlesztő cégek programjainak viszont ismerni kell a szabványos fájlformátumokat (pl. DICOM, INTERFILE), a felhasználói felületének igazodnia kell a piaci elvárásokhoz. Ezek a szoftverek üzleti megfontolásból zártak, vagy nehezen fejleszthetők, általában csak diagnosztikai célú képfeldolgozást támogatnak, ami pl. a multimodalitású orvosi képfeldolgozás területével foglalkozó kutatók számára korlátokat jelent. Ezt az ellentmondást az információs technológiával és a multimodalitású képfeldolgozással foglalkozó egyetemi kutatók, valamint az orvosi képfeldolgozás területén hardver- és szoftverfejlesztéseket végző cég mérnökei által közösen kidolgozott fejlesztői keretrendszer segítségével fel lehet oldani. Egy ilyen működő fejlesztői környezet sajátossága, hogy akadémiai oldalról nyitott, piaci oldalról zárt, azaz licencekkel védett. A kutatók és hallgatók számára elérhető könyvtárrendszer megfelelő keretet nyújthat a képfeldolgozó algoritmusaik implementálására, míg ugyanezen könyvtárrendszer felhasználásával a szoftverfejlesztő cég szakemberi az orvosi képfeldolgozás területén értékesítendő piaci terméket fejleszthetnek. Így ez a kutatók és mérnökök által közösen kidolgozott fejlesztői rendszer biztosíthatja egy tudásközpont és egy technológiai központ hosszú távú együttműködését, és ezáltal az alap- és alkalmazott kutatási eredmények piaci termékben történő gyors megjelenését. Ennek a gondolatmenetnek megfelelően sikerült létrehozni azt a

2 konzorciumot, amelynek munkájában egyetemi kutatók, képfeldolgozást alkalmazó klinikusok valamint orvosi berendezéseket és szoftvereket gyártó cég mérnökei vesznek részt. A konzorcium egy közös projekt keretében megfogalmazta azokat a célkitűzéseket, amelyeket megvalósítva a felvázolt kritériumoknak eleget tevő fejlesztői környezetet tudott kialakítani. Feltételrendszerként a hasonló fejlesztésekben szerzett több tíz emberévnyi fejlesztői tapasztalat, saját anyagi erőforrások és pályázati támogatás állt a rendelkezésre. A projekt célja a multimodalitású orvosi képfeldolgozás körében végzett alap- és alkalmazott kutatásainkra épülő olyan informatikai háttér kialakítása volt, amely lehetővé teszi a kutatási eredmények klinikai hasznosítását is. A fejlesztés koncepciója a korszerű szegmentációs, regisztrációs és képfúziós technikák valamint a térinformatikai rendszerekben alkalmazott interaktív komputergrafikai megoldások integrálása volt egy rendszerben. A többrétegű szoftverrendszer a kifejlesztendő célprogramok sajátságainak megfelelően funkcionális feladatokhoz, a megjelenítéshez és az interaktív grafikához valamint a felhasználói felület kezeléséhez kidolgozott programmodulokat jelentette. A projekt során több teszt-program és három demonstrációs program készült el. A teszt-programok célja az egyes fejlesztési periódusokban az optimális hardver- és szoftver környezet kiválasztása volt. A komplex fejlesztői környezet használhatóságát szemléltető demonstrációs programok pedig az ortopédia, az onkológia valamint a nukleáris medicina területén speciális képfeldolgozási feladatokat igénylő informatikai megoldások bemutatására szolgálnak. Tervezésük és tesztelésük orvosi szakértők bevonásával történt. A fejlesztések mellett több alapkutatási feladat is szerves részét képezte a projektnek: a szegmentációs- és a geometriai modellek kezelésével kapcsolatos algoritmusok kidolgozására, ill. a saját és implementált módszerek optimalizálására került sor. A kutatási eredmények beépítése a kifejlesztendő szoftvermodulokba a fejlesztési folyamat egyik legfontosabb szempontja volt, hiszen ezek az eredmények teszik lehetővé a hatékonyabb megjelenítő és interaktív programok készítését, amely közvetve a diagnosztikai ill. terápiás tevékenység minőségének javulását eredményezi. A kialakított rendszernek a projekt futamidején túli fejlesztése Ph.D. és egyetemi hallgatók bevonásával folyamatosan biztosítható, így a szoftverkönyvtárak tudása a dinamikusan fejlődő grafikai hardvereszközök teljesítménynövekedésének megfelelően javítható. Ez lehetőséget teremt egy egyetemi tudásközpont, valamint egy technológiai központ között a további együttműködéshez is. 2. A rendszer megvalósítása A megvalósítás a konzorcium által fejlesztett és kereskedelemben beszerezhető szoftverkönyvtárakból kialakított platformfüggetlen, háromrétegű fejlesztői környezet kialakításából, valamint három demonstrációs program segítségével hatékonyságának, ill. használhatóságának bemutatásából állt. A demonstrációs programok specifikálása, tesztelése klinikai szakemberek bevonásával történt. A fejlesztői környezet egyes rétegei az orvosi képfeldolgozás különböző témaköréhez kidolgozandó programok sajátságainak megfelelően a funkcionális (vagy matematikai) feladatokhoz, a megjelenítéshez és az interaktív grafikához, valamint a felhasználói felület kezeléséhez kidolgozott szoftverkönyvtárakat jelentették. A funkcionális réteg kidolgozását a standard C++ nyelv korszerű tervezési módszereinek alkalmazásával oldottuk meg. A multidimenzionális (2-, 3- vagy több dimenziós), parametrizált típusú adatstruktúrák modellezését és kezelésükhöz szükséges algoritmusokat absztrakt módon implementáltuk [1], azaz a metszetképalakotó berendezések (PET, SPECT, MRI, CT, UH) képi információit általánosan kezeljük. A kidolgozott szoftverkönyvtárakban a tomográfiás méréseket a 3D látómező valamely (folyamatos eloszlású) fizikai paraméterének meghatározott szerkezetű 3D térrács mentén vett leképezésként modellezzük.

3 Hasonló absztrakcióval dolgoztuk ki a fájlformátum-független input/output felületet, amelynek a felhasználásával a fejlesztői rendszert tetszőleges kép- és adatformátum kezelésével lehet kibővíteni az alapkönyvtárak változtatása nélkül, amelyek alapkiépítésben a DICOM, INTERFILE, Analyze és MINC formátumokat ismerik. A képfeldolgozás további fontos objektumai a profil- és kinetikai görbék, valamint a VOI (volume of innterest) struktúrák. A VOI kezelés szervesen kapcsolódik a projekt egyes kutatási területeihez. A vizualizációs réteg, azaz a megjelenítési és a 3D interaktív komputergrafikai algoritmusok kidolgozása egy önálló programozás-technikai feladat volt. E fejlesztés során a funkcionális rétegben specifikált tárolási osztályok és az OpenGL szoftverkönyvtárak közötti információátviteli feladatokat kellett megoldani. Jelentős erőforrás-ráfordítást igényelt az interaktív VOI- és referenciapont kijelölő grafikai felület kialakítása a térinformatikai szoftverekben alkalmazott módszerek mintájára. E szoftvermodul hatékonysága befolyásolja a kész programok használhatóságát, mert pl. a VOI analízis és a referenciapontok kijelölése az orvosi képfeldolgozás leggyakoribb, szakértelmet és komoly időráfordítást igénylő feladatai közé tartoznak. Projektünk eredménye, hogy rendelkezünk egy olyan platformfüggetlen, C++ alapú komplex fejlesztői rendszerrel, amelyet jelenleg egyszerre három helyen két egyetemi intézetben és egy fejlesztő cégnél használunk. A három rétegű, funkcionalitást, vizualizációt és felhasználói felületet tartalmazó könyvtárrendszert a projekt indításakor [4] megfogalmazott elképzeléseinknek megfelelően tudtuk alkalmazni Windows XP, Linux és IRIX operációs rendszer alatt. 3. Tesztprogramok klinikai gyakorlathoz A fejlesztői környezet kialakítása és tesztelése után három klinikai demonstrációs program képfúzión alapuló 3D besugárzástervezés, végeselemes számításokon alapuló műtéti beavatkozás tervezése, 4D izotópdiagnosztikai vizsgálatok vizualizációja segítségével vizsgáltuk a rendszer hatékonyságát és használhatóságát Képfúzión alapuló 3D besugárzástervezés Egy besugárzástervezési problémát akkor oldunk meg kifogástalanul, ha a tervezési céltérfogat (PTV: planning target volume) a szükséges dózist előírás szerint kapja meg, s ugyanakkor a szomszédos normális szöveteket, elsősorban a kritikus szerveket minimális (ideálisan nulla) sugárhatás éri (ICRU, Ling). A cél mindig az, hogy a nagy sugárdózisú tartományok konformálisak legyenek a PTV alakjával, ami egyúttal az ép szövetek sugárterhelésének csökkenését is eredményezi. A tervezés során használt, fentebb említett kitüntetett térfogatok (VOI-k) pontos kezdeti definiálása azért különösen fontos, mert az ennek során elkövetett hibákat a sugárkezelés megszokott klinikai rutinjában már csak kis valószínűséggel korrigálják, ugyanis ezeket a paramétereket a későbbiekben általában nem ellenőrzik. A VOI-k kijelölésére a négy metszetképalkotó eljárásból (CT, MRI, SPECT, PET) származó digitális és képi információk használhatók. A 3D tervezéshez a CT-adatok mindenképpen szükségesek, hiszen ezek jelenítik meg a röntgensugár gyengülésén alapuló anatómiai információt, és biztosítják a pontos dózisszámításhoz nélkülözhetetlen szöveti elektrondenzitás-értékeket. Az életképes daganattömeg elhelyezkedéséről a CT csak közelítő információt szolgáltat, hiszen a kóros képletek csak a normális anatómiai viszonyoktól eltérő elhelyezkedésük vagy méretük alapján differenciálhatók. Ugyanez a megállapítás érvényes a hagyományos MR-képalkotásra is. A SPECT-módszer, bár funkcionális metszetképalkotó eljárás, a nyomjelző anyagok többnyire

4 afiziológiás volta és az eljárás rossz felbontóképessége következtében csak igen korlátozottan használható az életképes daganatszövet megjelenítésére. Így a besugárzástervezés számára ma még egyedül a PET-technika ad lehetőséget az életképes daganatszövet pontos körülhatárolására, ugyanis a fiziológiás nyomjelzőanyagokkal elméletileg bármilyen anyagcsere-folyamatot képes megjeleníteni. A kidolgozott szoftver segítségével a tervezést végző szakember tetszőlegesen választhat egy személy esetében a rendelkezésre álló CT-, MRI-, SPECT- és PET-vizsgálatok képanyagaiból. Ezeket egyedi vagy fúzionált módban tudja megjeleníteni, szükség esetén a regisztrációt automatikus és manuális (landmark alapú) módszerekkel tudja elvégezni (1. ábra). A céltérfogat kijelöléséhez, amelyhez egyedi képek vagy regisztrált képpárok egyaránt használhatók, automatikus- és manuális VOI-kijelölő módszereket lehet alkalmazni. A kijelölt 3D VOI-k valósidőben előállított 3D felületmodell segítségével egy 3D vizualizációt biztosító ablakban is megjeleníthetők. Amennyiben térbeli standardizálásra alkalmas MRI-vizsgálat képanyaga is rendelkezésre áll, a céltérfogat egy digitális agyatlasz kiválasztott struktúráival, valamint a CT-képekből kinyert csontváz felületmodelljével együttesen is megjeleníthető. 1. ábra Képregisztrációs- és képfúziós felhasználói felület és a VOI kijelölés eredménye a 2D- és 3D multimodalitású vizualizáció segítségével 3.2. Végeselemes számításokon alapuló műtéti tervezés Az orvosi informatika egyik egyre nagyobb kihívásokkal szembesülő ágazata a műtéti tervezés, a beavatkozások számítógépes szimulációja. Az új műtéti eljárások kidolgozásánál ez a megközelítés különösen nagy előnyt jelent, hiszen az olcsó tesztelés mellett a várható eredmények is megbecsülhetők. A klinikus így egy egyszerű röntgen vagy akár CT felvétel által nyújtottnál sokkal konkrétabb adatokkal rendelkezhet még, mielőtt egyetlen szikevágás is történne. Ha összekapcsoljuk a felület- és testrekonstrukciós technikákat a mérnöki szoftverek nyújtotta testmodell-szerkesztő lehetőségekkel és a végeselemes elemzést lehetővé tevő (FEM/FEA) szoftverekkel, olyan gyakorlati alkalmazásokat hozhatunk létre, amelyek alkalmasak például az egyes műtéti beavatkozások hatékonyságát becsülni és értékelni. Kutatásaink célja a projekt szoftverkönyvtárára támaszkodva az ortopédia területén használható alkalmazások létrehozása volt, különös tekintettel a csontműtétekre. Kiinduló adatként a CT berendezés által szolgáltatott képfájlokat használjuk. Egyfelől egy új beavatkozás elméleti vizsgálatát végezzük, másfelől egy eset-orientált, interaktív alkalmazást

5 fejlesztünk a csípőízület hibáit javító műtéti beavatkozások szilmulálására és elemzésére. Ez a két irányvonal sok részfeladat tekintetében átfedi egymást. Ilyen például a tulajdonképpeni képadatok kinyerése az egyes orvosi fájlformátumokból, a képek javítása, a megfelelő szegmentációs technika kiválasztása, CAD-orientált testfelépítés, adatcsere a FEM/FEA eszközzel, a virtuális beavatkozás geometriájának megfelelő leírása (2. ábra). Távlati célként pedig a protézis-beültetés vizsgálatához, illetve személyre szabott protézisek kifejlesztéséhez, majd CAM rendszerrel végrehajtott gyártásához szükséges grafikai és modellezési funkciók kialakítását lehet megfogalmazni. Ehhez igen jelentős segítséget nyújt a rapid-prototyping technológia, amelyhez az általunk előállított geometriai modellezés szintén jó megoldást kínál. Az eddig elért eredményeinket a [2,3,5,6,8] publikációk tartalmazzák. 2. ábra Műtéti tervezőfelület és egy véges elemes analízis eredménye D izotópdiagnosztikai vizsgálatok vizualizációja Ez a nukleáris medicina témakörébe sorolható tesztprogram a különböző dinamikus tomográfiás- vagy planáris vizsgálatok egyedi, vagy fúzionált vizualizációjához kidolgozandó korszerű grafikai megoldások bemutatására készült. A fejlesztés célja elsősorban az OpenGL alapú vizualizációs könyvtáraink és a megfelelő hardveres gyorsítással rendelkező videokártyák együttes tesztelése volt. A tervezéstől napjainkig kiemelt figyelmet fordítunk a folyamatosan változó, új OpenGL technológiai megoldások orvosi képfeldolgozásban történő alkalmazhatóságának vizsgálatára. Ebben a tesztprogramban a felület- és térfogat renderelt, multiumodalitású megjelenítés algoritmusait teszteltük. A primer adathalmazból a megfelelő előkészítési procedúrák (simítás, interpoláció, transzformáció, szegmentáció és klaszter analízis) után a megjelenítendő szervek, szervrészek (pl. szív, tüdő) időben változó felületmodelljét állítottuk elő. A 3D megjelenítés a kiválasztott felületek esetében lehet álló vagy időben változó. Egy másik üzemmódban ugyanezen objektumokat volume-renderelt módszerrel lehet megjeleníteni. Ebben az esetben azt kívánjuk vizsgálni, hogy ez a rendkívül nagy számításiés tárolási kapacitást igénylő eljárás milyen korlátokkal alkalmazható az orvosi képfeldolgozás esetében. 4. Köszönetnyilvánítás

6 Köszönjük azon klinikai partnerek együttműködését, akik a projekt keretében készített tesztprogramokkal kapcsolatos szakmai elvárásokat megfogalmazták és a programok felhasználói tesztelésében aktívan szerepet vállaltak. Kutatásainkat és fejlesztéseinket részben az IKTA4 6/2001, OTKA T032361, NKFP-1A/0010/2002 és F pályázatok támogatásával végeztük. Irodalomjegyzék [1] Opposits Gábor, Valastyán Iván, Trón Lajos, Emri Miklós: Multimodalitású orvosi képfeldolgozás céljaira kidolgozott absztrakt szoftverkönyvtár, Neumann János Számítógéptudományi Társaság Képfeldolgozók és Alakfelismerők Szakosztályának IV. konferenciája, Miskolctapolca 2004, [2] Zoltán Csernátony, András Hajdu, Sándor Manó and Zoltán Zörgő: 3D modell készítése ortopédiai műtétek szimulálásához, KÉPAF4 (2004), Miskolc-Tapolca, Hungary, [3] Zoltán Csernátony, András Hajdu, Sándor Manó and Zoltán Zörgő: The "spiral cut" technique for leg lengthening II Finite Element Analysis, 1st Hungarian Conference on Biomechanics (2004), Budapest, Hungary, to appear. [4] András Hajdu and János Kormos: A Debreceni Egyetem intézeteinek együttműködése különböző képfeldolgozási projektekben, Informatika a Felsőoktatásban 2002 (2002), Debrecen, Hungary, [5] András Hajdu and Zoltán Zörgő: Orvosi szoftver keretrendszer mûtéti tervezéshez, KÉPAF 3 (2002), Domaszék, Hungary, [6] Zoltán Zörgő, András Hajdu, Sándor Manó, Zoltán Csernátony and Szabolcs Molnár: Analyzis of a new femur lengthening surgery, IEEE IASTED International Conference on Biomechanics (BioMech 2003) (2003), Rhodes, Greece, Biomechanics/ [7] Valastyán Iván, Balkay László, Emri Miklós, Trón Lajos; Validált kvantitatív PET szimulátor használata az orvosi képfeldolgozásban és diagnosztikai kutatásokban, Neumann János Számítógéptudományi Társaság Képfeldolgozók és Alakfelismerők Szakosztályának IV. konferenciája, Miskolctapolca 2004, [8] András Hajdu, János Kormos, Attila Lukács, Árpád Pányik, Csilla Szabó, Péter Veres and Zoltán Zörgő: Multipurpose 3D modelling for virtual clinical interventions, IEE CIMED 2005, Lissabon, Portugal, accepted