Optimizacija poravnave medicinskih slik z genetskim algoritmomŽUKOVEC, MARTIN (Avtor) Špiclin, Žiga (Mentor) Genetski algoritemB-zlepkinetoga poravnava slikparalelni algoritemCUDAPoravnava medicinskih slik predstavlja ključen korak pri računalniško podprti analizi medicinskih slik in slikovno vodenih posegih. Uporablja se za zaznavanje in kvantifikacijo normalnih in patoloških sprememb v času, kot na primer spremljanje poteka nevrodegeneracije pri preiskavah glave, spremljanje razvoja tumorjev, razgradnjo kritičnih struktur v slikah pri načrtovanju radioterapije preko poravnave topoloških atlasov, itd. S poravnavo pred- in med-operativnih slik v realnem času lahko med posegom sproti lokaliziramo anatomijo bolnika v operacijski dvorani, prenesemo pridruženi pred-operativni načrt posega in tako omogočimo minimalno invazivne kirurške posege. V posameznem kliničnem kontekstu je uporabnost postopkov poravnave medicinskih slik kritično določena z ustreznim razmerjem med točnostjo, zanesljivostjo in časovno učinkovitostjo izvajanja. Poravnavo slik izvedemo z iskanjem parametrov preslikave tako, da optimizacijski algoritem poišče optimum mere podobnosti med referenčno in premično sliko. Netoga poravnava slik je slabo pogojena, ker je prostor rešitev neskončen, hkrati pa je zaradi velikega števila prostih parametrov preslikave tudi računsko zahtevna. Računsko učinkovit optimizacijski pristop je z uporabo iterativne metode gradientnega spusta, vendar dosegljivo točnost in zanesljivost poravnave lahko omejujejo lokalni minimumi v meri podobnosti, predvsem v aplikacijah kjer je začetni približek preslikave daleč od optimuma. Slednji problem naslavljajo globalni optimizacijski postopki, katerih tipični predstavnik je genetski algoritem, vendar je zaradi velikega prostora možnih rešitev iskanje optimuma računsko zelo zahtevna naloga. Z naraščajočo zmogljivostjo grafičnih procesnih enot, tako glede računskih kot spominskih kapacitet, se tudi v domeni analize medicinskih slik odpira področje paralelnega programiranja, ki v določenih primerih obljublja visoke pohitritve v primerjavi s klasičnimi serijskimi algoritmi. Genetski algoritem omogoča učinkovito paralelno implementacijo postopka. Zato je bil cilj te naloge razvoj in vrednotenje postopka za netogo poravnavo medinskih slik, ki uporablja genetski optimizacijski algoritem in je neodvisen od tehnike zajema slik ter ga je moč izvajati na eni ali več grafičnih procesnih enotah, s prilagodljivim programskim vmesnikom za doseganje željenega razmerja med točnostjo, zanesljivostjo in časovno učinkovitostjo poravnave. Postopek je temeljil na netogi preslikavi z uporabo B-zlepkov, za mero podobnosti pa smo uporabili primerjavo normaliziranih gradientnih polj med referenčno in premično sliko. Za izločanje nesmiselnih rešitev smo v mero podobnosti vključili regularizacijska člena, kjer prvi kaznuje velike premike, drugi pa preprečuje zvijanje premične slike. Zaradi omejitev količine spomina na grafični procesni enoti, pa tudi za izkoriščanje podvojenih strojnih operacij, smo kot možno rešitev uspešno preizkusili 16-biten zapis sivinskih vrednosti slik. Zaradi velikega števila iskanih parametrov smo prilagodili postopek mutacije, s katerim smo izboljšali konvergenco ter rešili problem popolnoma naključne oziroma slepe mutacije. Razviti postopek netoge poravnave smo objektivno in kvantitativno vrednotili in primerjali z uveljavljenimi prosto dostopnimi programskimi paketi za poravnavo medicinskih slik. Vrednotenje smo opravili na zasebni bazi slik in pokazali primerljive rezultate razvitega postopka v primerjavi z uveljavljenimi postopki, pri čemer smo dosegli krajši čas izvajanja poravnave in tako povečali možnosti praktične uporabe takšnega postopka. Zaradi hitrosti poravnave je razviti postopek ugoden za časovno kritične aplikacije, na primer pri analizi in prilagajanju obsevalnih načrtov ter pri slikovno vodenih posegih. Prilagodljivost ter razširljivost na več grafičnih procesnih enot tako nudi konkurenčno alternativo obstoječim uveljavljenim rešitvam.20212021-04-01 10:10:01Magistrsko delo/naloga125675sl