FERRAMENTA MULTITHREAD PARA RECONSTRUÇÃO VOLUMÉTRICA DE IMAGENS EM MEDICINA NUCLEAR PARA AUXÍLIO NA DETECÇÃO DE ZONAS EPILEPTOGÊNICAS Autor(es):

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1 FERRAMENTA MULTITHREAD PARA RECONSTRUÇÃO VOLUMÉTRICA DE IMAGENS EM MEDICINA NUCLEAR PARA AUXÍLIO NA DETECÇÃO DE ZONAS EPILEPTOGÊNICAS Autor(es): MILANI, Cleber Roberto;CAVALHEIRO, Gerson Geraldo Homrich;OLIVEIRA, Lucas Ferrari de Apresentador: Cleber Roberto Milani Orientador: Gerson Geraldo Homrich Cavalheiro Revisor 1: Simone Costa Revisor 2: Ana Marilza Pernas Instituição: UFPel FERRAMENTA MULTITHREAD PARA RECONSTRUÇÃO VOLUMÉTRICA DE IMAGENS EM MEDICINA NUCLEAR PARA AUXÍLIO NA DETECÇÃO DE ZONAS EPILEPTOGÊNICAS MILANI, Cleber Roberto 1 ; CAVALHEIRO, Gerson Geraldo Homrich 1 ; OLIVEIRA, Lucas Ferrari de 1. 1 Departamento de Informática IFM/UFPel Campus Universitário {cmilani.ifm, gerson.cavalheiro, lucas.ferrari}@ufpel.edu.br 1. INTRODUÇÃO A epilepsia é uma enfermidade presente no cotidiano de milhões de pessoas em todo o mundo. As drogas antiepilépticas obtêm êxito no controle de cerca de 60 a 80% dos casos. Nos demais, faz-se necessária intervenção cirúrgica, a qual, por sua vez, requer uma avaliação prévia realizada com base em informações complementares de diferentes exames (Oliveira, 2005). Um processo tradicionalmente aplicado é a comparação visual, lado a lado, de imagens de SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography, Tomografia Computadorizada por Emissão de Fóton Único) do paciente, tomadas quanto este se encontra em crise, com outras obtidas nos intervalos entre as crises. Essas imagens são chamadas, respectivamente, de imagens críticas e intercríticas. Entretanto, essa técnica, além de ser um processo laborioso e exaustivo, confere limitações à reprodutibilidade dos estudos, uma vez que depende dos conhecimentos e experiências prévios do investigador. Ao longo dos anos, diversas ferramentas computacionais vêm sendo desenvolvidas para automatizar e auxiliar a avaliação pré-cirúrgica. Um método bastante empregado na avaliação da epilepsia é o SISCOM (Subtraction Ictal SPECT Co-registered to MRI, Subtração de SPECT Crítico Co-registrado em imagens de Ressonância Magnética). Esse método permite detectar o foco

2 epiléptico a partir da subtração de imagens funcionais de SPECT e localizá-lo anatomicamente no exame de Ressonância Magnética (RM) (O Brien et al., 1998). Oliveira (2005) propôs um método que utiliza o SISCOM somado à fusão de imagens em três dimensões (3D) para produzir imagens alinhadas referentes aos cortes nas posições Coronal (eixo X), Transversal ou Axial (eixo Y) e Sagital (eixo Z) do cérebro do paciente. A importância do alinhamento e a metodologia desenvolvida são discutidas em Oliveira (2005). Entretanto, no trabalho de Oliveira (2005) não foi desenvolvida uma ferramenta para a visualização e interação com as imagens resultantes do método por ele proposto. Já ferramentas comerciais com suporte à visualização de imagens médicas, como o VolView (VolView, 2007), além de possuírem custo elevado, não permitem exibir o resultado final da fusão entre as imagens alinhadas. Dentro desse contexto, este trabalho propõe o desenvolvimento de uma ferramenta, com o objetivo de prover uma aplicação de visualização tri-dimensional interativa para a fusão de imagens proposta por Oliveira (2005). Dessa forma, pode-se oferecer uma visualização do problema próxima da real, com auxílio de cores para destacar as zonas epileptogênicas. 2. MATERIAL E MÉTODOS A técnica de reconstrução volumétrica foi identificada como mais adequada para o desenvolvimento da ferramenta. Essa técnica utiliza um algoritmo de Raytracing e permite a visualização tri-dimensional e interativa das imagens de maneira realística (Schroeder et al., 2002). Outro requisito identificado foi a elaboração de uma interface com o usuário interativa para alteração, dinâmica em tempo de execução, dos parâmetros aplicados à reconstrução dos exames. Além disso, aplicações para visualização interativa requerem uma taxa de resposta e repetição entre 10 e 20 frames (quadros) por segundo, pois somente dessa forma é possível uma navegação satisfatória (Robb, 1999). Entretanto, o atendimento desse requisito tem como empecilho o elevado custo computacional dos algoritmos de Ray-tracing, cuja complexidade, em geral, é de O(n 3 ) (Schroeder et al., 2002). Por outro lado, Santos (1994) observa que, embora o custo computacional desse tipo de aplicação seja elevado, é também paralelizável e pode, portanto, ser explorado em arquiteturas paralelas com ganho de desempenho. Paiva et al. (1999) afirma que o alto custo computacional dos algoritmos de Ray-tracing pode ser paralelizado, uma vez que os valores dos pixels são determinados através do lançamento de raios independentes entre si. Em complemento a isso, observa-se que, atualmente, processadores multi-core vêm adquirindo status de commodity. Multi-core é o nome dado aos CPUs (Central Processing Unit, Unidade Central de Processamento) com mais de um núcleo de processamento. Com isso, o custo de computadores pessoais paralelos passou a ser acessível não apenas a hospitais e clínicas, mas também a consultórios privados e mesmo a médicos. Logo, explorar o paralelismo inerente ao algoritmo de Raytracing, através da programação multithread em arquiteturas multi-core, apresentouse como uma solução viável para o problema identificado. Optou-se por desenvolver a ferramenta sob os princípios de software livre utilizando, para tal, bibliotecas e aplicações disponíveis da mesma forma. Essa decisão tem como objetivo oferecer uma solução de baixo custo e que possa ser modificada para atender necessidades locais, o que não é possível com softwares proprietários como o VolView, cuja licença custa US$ 2.500,00 e o código-fonte não

3 é aberto. Outra característica observada na escolha dos padrões e bibliotecas foi a portabilidade. Dessa forma, a ferramenta proposta pôde ser desenvolvida compatível com os sistemas operacionais MS Windows XP, Debian Linux e Mac OS X A ferramenta foi escrita em linguagem C++ e o padrão POSIX Threads (pthreads) foi adotado como suporte à programação multithread. O padrão para formato de imagem utilizado é o Analyze 7.5 (Clinic, 2007). As bibliotecas VTK (Visualization ToolKIT) (VTK, 2007) e FLTK (Fast Light ToolKIT) (FLTK, 2007) foram empregadas para descrição dos algoritmos de visualização e construção da interface, respectivamente. Maiores detalhes a respeito da implementação podem ser obtidos em Milani (2007). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A avaliação da ferramenta considerou o ganho de desempenho obtido com o uso de recursos de threads e a qualidade das imagens reconstruídas. A qualidade dos resultados obtidos foi avaliada por meio de comparação entre as imagens geradas pela ferramenta desenvolvida e as apresentadas pelo software proprietário VolView. A avaliação completa dos resultados encontra-se documentada em Milani (2007). Ao comparar o menor tempo de processador gasto por uma arquitetura dualcore (CPU com dois núcleos de processamento) com o tempo médio necessário para a reconstrução em arquiteturas single-core, observou-se redução no tempo de processamento de 64%. Os resultados obtidos em computadores portáteis dual-core são também satisfatórios. A redução média no tempo de processamento comparando-se a execução seqüencial com a multithread foi de 24% com speedup igual a 1.31 e eficiência de 65%. Constatou-se que a presença de hardware para aceleração gráfica 3D não influencia o desempenho da ferramenta, uma vez que a implementação realizada não faz uso do mesmo. Logo, não há necessidade de hardware especial para execução da aplicação desenvolvida. A portabilidade de hardware foi comprovada com a execução da ferramenta em arquiteturas single-core e multi-core de fabricantes diversos. Nessa amostra encontram-se processadores que, além de divergir em relação ao número de núcleos, possuem diferentes conjuntos de instruções. Foram testados ainda processadores de 32 e 64 bits, e logrou-se êxito nos dois casos. Já a portabilidade de software foi atestada ao compilar e executar a ferramenta com sucesso nos sistemas operacionais MS Windows XP, Debian Linux e Mac OS X Por fim, a comparação com o software proprietário VolView permite dizer que o resultado final do projeto foi também satisfatório. Além dos exames reconstruídos apresentarem qualidade bastante próxima, foi possível oferecer na aplicação desenvolvida as principais funcionalidades do VolView, tais como a modificação em tempo de execução dos parâmetros da reconstrução e a visualização dos exames em forma de volumes tri-dimensionais ou fatias bi-dimensionais. 4. CONCLUSÕES Este trabalho descreve o desenvolvimento de uma ferramenta para a visualização tri-dimensional interativa de fusão de imagens. A ferramenta desenvolvida utilizou o algoritmo de Ray-tracing, apresentando resultados

4 satisfatórios em relação à portabilidade, desempenho, escalabilidade e resultado visual gerado. A exploração do paralelismo inerente ao algoritmo de Ray-tracing, dividindo-o em fluxos independentes de execução trouxe ganho de desempenho em arquiteturas dotadas de processadores com tecnologia Hyper Threading e processadores multi-core, enquanto naquelas com processador single-core a variação no tempo de execução foi desprezível. A taxa de frames por segundo colocada como adequada para aplicações interativas foi alcançada na ferramenta desenvolvida. Isso foi possível adicionando-se à exploração do paralelismo técnicas que permitem reconstruir o volume com nível menor de detalhamento durante a interação. A taxa de quadros por segundo pode ainda ser alterada em tempo de execução através da interface com o usuário. A escalabilidade, por sua vez, é também uma característica presente na ferramenta desenvolvida. Trata-se de escalabilidade de software. A abordagem aplicada para obter-se tal propriedade foi a de desenvolver a aplicação de maneira que se permita manipular, dinamicamente, em tempo de execução o número de threads. Logo, havendo aumento do número de processadores ou cores na arquitetura, pode-se configurar o software para explorá-los eficientemente através da divisão em um número maior de fluxos de execução. O objetivo de desenvolver um método de visualização complementar ao SISCOM e à fusão de imagens em três dimensões foi, portanto, atingido de maneira satisfatória. Com a conclusão deste projeto, encontra-se disponível uma ferramenta computacional, distribuída como software livre, que implementa eficientemente uma nova abordagem de visualização para auxílio detecção do foco epileptogênico. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CLINIC, M. ANALYZE TM 7.5 File Format. Biomedical Imaging Resource. Acesso em 02 de jul FLTK. Fast Light Toolkit. Acesso em 02 mai MILANI, C. Ferramenta multithread para reconstrução volumétrica de imagens em medicina nuclear para auxílio na detecção de zonas epileptogênicas f. Trabalho acadêmico (Graduação em Ciência da Computação) Instituto de Física e Matemática, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas. OLIVEIRA, L. Fusão de Imagens 3D para Localização e Quantificação de Zona Epileptogênica f. Tese (Doutorado em Clínica Médica) Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto. O'BRIEN, T., So, E., Mullan, B., Hause, M., Brinkmann, B., Bohnen, N., Hanson, D., Cascino, G., Jack, C. J., Sharbrough, F. Subtraction Ictal SPECT co-registered to MRI improves clinical usefulness of SPECT in localizing the surgical seizure focus, Neurology, v.50, n.2, p PAIVA, A., SEIXAS, R. e GATTASS, M. Introdução à Visualização Volumétrica f. Trabalho acadêmico (Graduação em Ciência da Computação) - Departamento de Ciência da Computação, PUC-Rio, Rio de Janeiro. Robb, R. Visualization in biomedical computing, Parallel Computing, v.25, Issue 13-14, p

5 SANTOS, E. Avaliação do algoritmo de Ray Tracing em Multicomputadores, p. Dissertação (Mestrado) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas II, São Paulo. SCHROEDER, W., MARTIN, K., e LORENSEN, B. The Visualization Toolkit - An Object Oriented Approach to 3D Graphics, Kitware Inc., 3ª ed VolView Kitware VolView, Interactive and Intuitive Volume Visualization. Acesso em 10 de jun VTK - The Visualization Tool Kit. public.kitware.com/vtk, Acesso em 31 de jan