Ευθυγράμμιση τρισδιάστατων ιατρικών δεδομένων με χρήση μονάδων επεξεργασίας γραφικών γενικής χρήσης - Φόρμας, Ανδρέας (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, 2016)
Κατά την εξέταση ψηφιακών ιατρικών δεδομένων, προκύπτει πολλές φορές η ανάγκη να γίνει σύγκριση ανάμεσα σε δεδομένα που έχουν ληφθεί σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Αυτή η περίπτωση εντοπίζεται συνήθως στην αξιολόγηση της μετεγχειρητικής κατάστασης ενός ασθενούς ή ακόμα και σε εύρεση διαφορών ανάμεσα σε ένα ευρύ σύνολο του γενικότερου πληθυσμού. Η πρώτη περίπτωση είναι ιδιαίτερα σημαντική καθώς μπορεί να γίνει εφικτό να ποσοτικοποιηθούν οι αλλαγές, για παράδειγμα μέσω τεχνικών αφαιρετικής ραδιογραφίας, που έχουν επέλθει εφαρμόζοντας ένα συγκεκριμένο εγχειρητικό πρωτόκολλο, δίνοντας έτσι στον ιατρό μια πρώτη εικόνα της βελτίωσης ή όχι της κατάστασης του ασθενούς. Η δεύτερη περίπτωση είναι απαραίτητη στην εύρεση κοινών χαρακτηριστικών σε ομάδες του πληθυσμού, καθιστώντας έτσι εφικτή την εξαγωγή ορθότερων και γενικότερων ιατρικών συμπερασμάτων. Για να μπορέσουν να υλοποιηθούν τέτοιες λειτουργικότητες, απαιτείται τα επιμέρους δεδομένα να υποστούν μια συγκεκριμένη επεξεργασία, την ευθυγράμμιση. Για το σκοπό αυτό, η παρούσα διπλωματική εργασία αρχίζει με την περιγραφή της διαδικασίας της ευθυγράμμισης η οποία έχει ως στόχο την εύρεση κατάλληλου γεωμετρικού μετασχηματισμού, ο οποίος εξάγεται με την εκμετάλλευση των γεωμετρικών περιγραφητών, στοιχεία τα οποία ποσοτικοποιούν τις γεωμετρικές ιδιότητες των υπό εξέταση δεδομένων. Ο γεωμετρικός αυτός μετασχηματισμός επιτυγχάνει την εξομάλυνση των γεωμετρικών αποκλίσεων ανάμεσα σε διαφορετικές απεικονίσεις του ίδιου αντικειμένου. Αυτός ο μετασχηματισμός προκύπτει με τον προσδιορισμό των ταυτισμένων σημείων μεταξύ των δυο συνόλων δεδομένων, ο οποίος δύναται με την πραγματοποίηση σύγκρισης των σημείων με βάση τους γεωμετρικούς περιγραφητές. Ένας γεωμετρικός περιγραφητής είναι ικανός να κωδικοποιεί συμπυκνωμένη πληροφορία για τις γεωμετρικές ιδιότητες μίας καθορισμένης περιοχής γύρω από ένα σημείο, με στόχο την μοναδική περιγραφή και αναγνώρισή του σε όλο το σύνολο των σημείων, χωρίς να επηρεάζεται από το θόρυβο ή την πυκνότητα του σημειακού νέφους. Ο καθένας από αυτούς χρησιμοποιεί διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά και υπολογίζεται με διαφορετικό τρόπο. Ακολούθως, γίνεται εκτενής ανάλυση του προγραμματιστικού μοντέλου CUDA (Compute Unified Device Architecture), το οποίο έχει εφευρεθεί από την NVIDIA, μέσω του οποίου καθίσταται δυνατή η εκμετάλλευση των γραφικών μονάδων επεξεργασίας γενικής χρήσης (GPGPU – General Purpose Computing on Graphics Processing Units), οι οποίες κατέχουν χαρακτηριστικά μεγαλύτερη υπολογιστική ικανότητα σε σχέση με τις συμβατικές κεντρικές μονάδες επεξεργασίας (CPU – Central Processing Unit). Στη συνέχεια, περιγράφεται το κλιμακωτό προγραμματιστικό μοντέλο, οι ειδικές προγραμματιστικές λειτουργίες kernels, η ιεραρχία μεταξύ των παράλληλων νημάτων επεξεργασίας καθώς και οι βασικές αρχές στην ιεραρχία μνήμης των γραφικών μονάδων επεξεργασίας GPGPU. Τέλος, παρατίθεται η συνολική ροή της διαδικασίας που ακολουθείται στην ευθυγράμμιση ιατρικών εικόνων με τη χρήση του γεωμετρικού περιγραφητή κάθετων διανυσμάτων. Γίνεται λεπτομερής ανάλυση του τρόπου με τον οποίο έχει πραγματοποιηθεί η παραλληλοποίηση του αλγορίθμου υπολογισμού των κάθετων διανυσμάτων, ο οποίος στη συνέχεια δύναται να εκτελεστεί με τη βοήθεια των πολυ-νηματικών γραφικών μονάδων επεξεργασίας γενικού σκοπού (GPGPU). Παράλληλα, πραγματοποιείται μελέτη για τις βέλτιστες παραμέτρους που θα πρέπει να εισαχθούν στον αλγόριθμο, έτσι ώστε να γίνεται πλήρης εκμετάλλευση των διαθέσιμων πόρων με το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται και συγκρίνονται διάφορα αποτελέσματα ευθυγράμμισης ιατρικών απεικονιστικών δεδομένων, τα οποία προέκυψαν από την εφαρμογή των μεθόδων σε CPU και GPGPU.