Real-Time Ultrasoundsimulation for Medical Training

125 Pages·2015·9.13 MB·English

Real-Time Ultrasoundsimulation
for Medical Training
Inauguraldissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften
der Universität Mannheim
vorgelegt von
Dipl.Inf. Benny Bürger
aus Filderstadt
Mannheim, 2014

Dekan: Professor Dr. Heinz Jürgen Müller, Universität Mannheim
Referent: Professor Dr. Jürgen Hesser, Universität Heidelberg
Korreferent:Professor Dr. Wolfgang Effelsberg, Universität Mannheim
Tag der mündlichen Prüfung: 27. Mai 2015
Abstract
This thesis presents a real-time capable GPU-based ultrasound simulator suitable
for medical education. Two different models are presented in the following. A
2D version has been implemented in order to simulate IVUS without modelling
complex 3D geometry and a 3D version which is able to synthesize realistic looking
ultrasound images in real-time. This includes ultrasound specific artifacts, which
are essential for the interpretation of this data. The focus of this thesis is on the
more general 3D version, that can simulate all common ultrasound modalities and
is based on a convolution-enhanced ray-tracing approach which uses a deformable
mesh model. This method advances the state of the art for real-time capable
ultrasound simulators by following the path of the ultrasound pulse, which enables
better simulation of ultrasound-specific artifacts. We evaluate our proposed
method by comparison it to recent generative slicing-based strategies as well
as real ultrasound images. Therefore, a gelatin ultrasound phantom containing
syringes filled with different media is scanned with a real transducer. The obtained
images are then compared to images which are simulated using a slicing-based
technique and our proposed method. The particular benefit of our method is the
accurate simulation of ultrasound-specific artifacts like range distortion, refraction
and acoustic shadowing. Several benchmark scenarios are evaluated regarding
simulation time, to show the performance and the bottleneck of our method.
While being computationally more intensive than slicing techniques, our simulator
is able to produce high-quality images in real-time, tracing over 5000 rays through
mesh models with more than 2000000 triangles.
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der GPU-basierten Echtzeitsimulation von
Ultraschall für medizinische Ausbildung. Es werden zwei verschiedene Modelle be-
schrieben. Eine 2D-Version wurde implementiert, um intravaskulären Ultraschall
simulieren zu können, ohne komplexe 3D-Geometrie erstellen zu müssen. Der
Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der 3D-Version, die künstliche, realistisch aus-
sehende Ultraschallbilder inklusive der ultraschalltypischen Artefakte in Echtzeit
simulieren kann. Die Simulation kann alle gebräuchlichen Ultraschallmodalitäten
simulieren und basiert auf der Kombination einer Ray-tracing-Methode mit einem
Faltungsalgorithmus. AlsGeometriewerdenräumlichveränderbare3D-Gitternetze
verwendet. Die vorgestellte Methode erweitert den Stand der Forschung für echt-
zeitfähige Ultraschallsimulatoren, indem der Weg des Ultraschallimpulses verfolgt
wird, wodurch eine bessere Simulation der ultraschallspezifischen Artefakte mög-
lich wird. Simulierte Bilder werden anhand von echten Ultraschallbildern evaluiert
und mit einer aktuellen Simulationstechnik verglichen. Hierfür wurden mehrere
Spritzen mit unterschiedlichen Medien gefüllt und in Gelatine eingegossen. Dieses
Phantom wurde anschließend mit einem echten Ultraschallsystem durchschallt,
um echte Ultraschallbilder zu erhalten. Basierend auf einem modellierten 3D-
Gittermodell des Phantoms, wurden künstliche Ultraschallbilder mit der von uns
beschriebenen Methode und mit einer Schnittbildmethode erzeugt. Der Vorteil der
präsentierten Ray-tracing-Methode ist die realistische Simulation von Ultraschall-
artefakten wie Laufzeitartefakte, Spiegelartefakte oder Mehrfachechos. Mehrere
Benchmarkszenarien wurden ausgewertet, um die Schnelligkeit aber auch die
Grenzen der Methode aufzuzeigen. Die vorgestellte Simulationsmethode ist deut-
lich rechenaufwendiger als die Schnittbildmethode, trotzdem können realistische
Ultraschallbilder mit mehr als 5000 Strahlen von 3D-Modellen mit über 2000000
Dreiecken in Echtzeit simuliert werden.

Experimentelle Strahlentherapie
Universität Heidelberg
Fakultät für Wirtschaftsinformatik
und Wirtschaftsmathematik
Universität Mannheim
Real-Time Ultrasoundsimulation for
Medical Training

Danksagung
Denken und danken sind verwandte Wörter;
wir danken dem Leben, in dem wir es bedenken.
Thomas Mann (1875-1955)
In meiner Diplomarbeit habe ich mich bereits mit der Ultraschallsimulation
beschäftigt und war von dem interessanten Thema gleich zu Beginn gefesselt.
Während meiner anschließenden Promotionszeit in Mannheim habe ich zuerst
aus Finanzierungsgründen an verschiedenen anderen Projekten gearbeitet, bis ich
mich dank der Bemühungen von Prof. Dr. rer. nat. Jürgen Hesser schließlich
ganz der Ultraschallsimulation widmen konnte. Ich habe lange Zeit gehabt, um
das Themengebiet zu bedenken und möchte mich im Sinne des obigen Zitats nun
bei allen Menschen bedanken, die diese Arbeit unterstützt und ermöglicht haben.
• An erster Stelle danke ich meinem Doktorvater Prof. Dr. rer. nat. Jürgen
Hesser für die vielen hilfreichen wegweisenden Ratschläge und kritischen
Reviews unserer Paper. Insbesondere auch dafür, dass er es mir ermöglich-
te, mich mit dem größten Teil meiner Arbeitskraft auf die Forschung zu
konzentrieren.
• Meiner lieben Frau Katarina Bürger, ohne deren wachsames Auge meine
Veröffentlichungen sicher einige orthographische Fehler mehr enthalten hät-
ten. Sie wies auf Schwächen hin und konnte als Fachfremde immer wieder
zeigen, wo noch Erklärungsbedarf bestand.
• Meinen Eltern Marlis Bürger-Ulbricht und Erich Bürger, für die mo-
ralische Unterstützung und insbesondere meiner Mutter für die unzähligen
Stunden, die sie Korrektur gelesen hat.
• Meinen Freunden und Kollegen an der Universität und der CATHI GmbH,
die mir bei Fachfragen stets hilfreich zur Seite standen.
• Meinen Kollegen am Universitätsklinikum, die mich in die Bedienung von
Ultraschallgeräten einwiesen und mir ihr Fachwissen, Ultraschallbilder und
CT-Volumen zur Verfügung stellten.
III
Akronyme und Fachwörter1
Black Box Ein geschlossenes System unter Vernachlässigung des inneren
Aufbaus.
BVH Hüllkörper (engl. Bounding Volume Hierarchy)
Code Kurzform von Programmcode
Computercluster engl. für Rechnerverbund
CR klassisches Röntgen: ein auf Röntgenstrahlen basierendes
bildgebendes Verfahren, mit dem das zu untersuchende Objekt
durchleuchtet werden kann.
CT Computertomographie: ein auf Röntgenstrahlen basierendes
bildgebendes Verfahren, mit dem das zu untersuchende Objekt in
Querschnittbildern dargestellt werden kann.
Face engl. für Fläche. Im Kontext dieser Arbeit wird damit ein
Polygon bezeichnet, das durch mehrere Eckpunkte miteinander
verbunden ist.
GPGPU Allzweck-Berechnung auf Grafikprozessoreinheiten (eng. General
Purpose Computation on Graphics Processing Unit)
GPU Grafikprozessor (engl. Graphics Processing Unit)
IVUS Intravaskulärer Ultraschall ist ein Ultraschallverfahren, bei dem
der Schallkopf durch Gefäße geführt wird, um diese zu beurteilen.
Material siehe Medium
Medium Das Medium oder Ausbreitungsmedium bezeichnet in der
Wellenlehre die Substanz, welche von den Wellen durchquert wird.
Mesh-Modell Fachbezeichnung eines Oberflächenmodells auf der Basis eines
Polygonnetzes.
Modalität Oberbegriff für medizinische Geräte, die für bildgebende
Verfahren in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden.
MR Siehe MRT.
1Hier aufgelistete computerspezifische Fachwörter werden im Folgenden in der englischen
Variante verwendet.
IV