Cinematic volume rendering solutions for the advanced exploration of medical images

Abstract

Medical visualization, commonly used in clinical routine for exploring cardiac data, is based on traditional techniques including multiplanar reformations, maximum intensity projection, and volume rendering that rely on basic lighting models. Conversely, cinematic volume rendering (CVR), grounded in physically-based rendering, has the capacity to generate volumetric images with superior depth and shape perception. In clinical settings, several commercial stand-alone CVR software tools are available. Nevertheless, their prohibitive costs pose challenges for smaller institutions and individual researchers. Furthermore, these tools operate as ‘black-box’ systems and encounter installation obstacles. This thesis endeavors to tackle these challenges by implementing CVR solutions, encompassing both stand-alone and web-based approaches, collaboratively developed with clinical experts, thereby laying the groundwork for accessible CVR solutions. Additionally, the thesis undertook the most comprehensive benchmarking of CVR solutions in the literature, evaluating the advantages and limitations of five different software tools. The results obtained demonstrate the exceptional performance of the developed stand-alone CVR solution and the costeffective web-based alternative.

La visualización médica, comúnmente utilizada en la rutina clínica para explorar datos cardíacos, se basa en técnicas tradicionales que incluyen reformas multiplanares, proyección de máxima intensidad y representación de volumen que se basan en modelos de iluminación básicos. Por el contrario, la representación cinematográfica de volumen (CVR), basada en la representación física, tiene la capacidad de generar imágenes volumétricas con una percepción superior de profundidad y forma. En entornos clínicos, se encuentran disponibles varias herramientas comerciales de software CVR independientes. Sin embargo, sus costos prohibitivos plantean desafíos para las instituciones más pequeñas y los investigadores individuales. Además, estas herramientas funcionan como sistemas de "caja negra" y encuentran obstáculos en la instalación. Esta tesis se esfuerza por abordar estos desafíos mediante la implementación de soluciones CVR, que abarcan enfoques tanto independientes como basados en la web, desarrollados en colaboración con expertos clínicos, sentando así las bases para soluciones CVR accesibles. Además, la tesis llevó a cabo la evaluación comparativa más completa de soluciones CVR en la literatura, evaluando las ventajas y limitaciones de cinco herramientas de software diferentes. Los resultados obtenidos demuestran el rendimiento excepcional de la solución CVR independiente desarrollada y la alternativa rentable basada en web.

La visualització mèdica, que s'utilitza habitualment en la rutina clínica per explorar dades cardíaques, es basa en tècniques tradicionals que inclouen reformes multiplanars, projecció d'intensitat màxima i representació de volum que es basen en models d'il·luminació bàsics. Per contra, la renderització cinematogràfica de volum (CVR), basada en la renderització basada en la física, té la capacitat de generar imatges volumèriques amb una profunditat i una percepció de forma superiors. En entorns clínics, hi ha disponibles diverses eines comercials de programari CVR autònomes. No obstant això, els seus costos prohibitius plantegen reptes per a les institucions més petites i els investigadors individuals. A més, aquestes eines funcionen com a sistemes de "caixa negra" i es troben amb obstacles d'instal·lació. Aquesta tesi tracta d'afrontar aquests reptes mitjançant la implementació de solucions CVR, que abasten tant enfocaments autònoms com basats en web, desenvolupats en col·laboració amb experts clínics, establint així les bases per a solucions CVR accessibles. A més, la tesi va dur a terme el benchmarking més complet de solucions CVR de la literatura, avaluant els avantatges i limitacions de cinc eines de programari diferents. Els resultats obtinguts demostren el rendiment excepcional de la solució CVR autònoma desenvolupada i l'alternativa rendible basada en web.