General Dynamic Surface Reconstruction: Application to the 3D Segmentation of the Left Ventricle

Abstract

Aquesta tesi descriu la nostra contribució a la reconstrucció tridimensional de les superfícies interna i externa del ventricle esquerre humà. La reconstrucció és un primer procés dins d'una aplicació global de Realitat Virtual dissenyada com una important eina de diagnòstic per a hospitals. L'aplicació parteix de la reconstrucció de les superfícies i proveeix a l'expert de manipulació interactiva del model en temps real, a més de càlculs de volums i de altres paràmetres d'interès. El procés de recuperació de les superfícies es caracteritza per la seva velocitat de convergència, la suavitat a les malles finals i la precisió respecte de les dades recuperades. Donat que el diagnòstic de patologies cardíaques requereix d'experiència, temps i molt coneixement professional, la simulació és un procés clau que millora la eficiència.<br/><br/>Els nostres algorismes i implementacions han estat aplicats a dades sintètiques i reals amb diferències relatives a la quantitat de dades inexistents, casuístiques presents a casos patològics i anormals. Els conjunts de dades inclouen adquisicions d'instants concrets i de cicles cardíacs complets. La bondat del sistema de reconstrucció ha estat avaluada mitjançant paràmetres mèdics per a poder comparar els nostres resultats finals amb aquells derivats a partir de programari típic utilitzat pels professionals de la medicina.<br/><br/>A més de l'aplicació directa al diagnòstic mèdic, la nostra metodologia permet reconstruccions de tipus genèric en el camp dels Gràfics 3D per ordinador. Les nostres reconstruccions permeten generar models tridimensionals amb un baix cost en quant a la interacció manual necessària i a la càrrega computacional associada. Altrament, el nostre mètode pot entendre's com un robust algorisme de triangularització que construeix superfícies partint de núvols de punts que poden obtenir-se d'escàners làser o sensors magnètics, per exemple.

Esta tesis describe nuestra contribución a la reconstrucción tridimensional de las superficies interna y externa del ventrículo izquierdo humano. La reconstrucción es un primer proceso que forma parte de una aplicación global de Realidad Virtual diseñada como una importante herramienta de diagnóstico para hospitales. La aplicación parte de la reconstrucción de las superficies y provee al experto de manipulación interactiva del modelo en tiempo real, además de cálculos de volúmenes y de otros parámetros de interés. El proceso de recuperación de las superficies se caracteriza por su velocidad de convergencia, la suavidad en las mallas finales y la precisión respecto de los datos recuperados. Dado que el diagnóstico de patologías cardíacas requiere experiencia, tiempo y mucho conocimiento profesional, la simulación es un proceso clave que mejora la eficiencia.<br/><br/>Nuestros algoritmos e implementaciones han sido aplicados a datos sintéticos y reales con diferencias en cuanto a la cantidad de datos inexistentes, casuística presente en casos patológicos y anormales. Los conjuntos de datos incluyen adquisiciones de instantes concretos y de ciclos cardíacos completos. La bondad del sistema de reconstrucción ha sido evaluada mediante parámetros médicos para poder comparar nuestros resultados finales con aquellos derivados a partir de programario típico utilizado por los profesionales de la medicina.<br/><br/>Además de la aplicación directa al diagnóstico médico, nuestra metodología permite reconstrucciones de tipo genérico en el campo de los Gráficos 3D por ordenador. Nuestras reconstrucciones permiten generar modelos tridimensionales con un bajo coste en cuanto a la interacción manual necesaria y a la carga computacional asociada. Por otra parte, nuestro método puede entenderse como un robusto algoritmo de triangularización que construye superficies a partir de nubes de puntos que pueden obtenerse a partir de escáneres láser o sensores magnéticos, por ejemplo.

This thesis describes a contribution to the three-dimensional reconstruction of the internal and external surfaces of the human's left ventricle. The reconstruction is a first process fitting in a complete VR application that will serve as an important diagnosis tool for hospitals. Beginning with the surfaces reconstruction, the application will provide volume and interactive real-time manipulation to the model. We focus on speed, precision and smoothness for the final surfaces. As long as heart diseases diagnosis requires experience, time and professional knowledge, simulation is a key-process that enlarges efficiency.<br/><br/>The algorithms and implementations have been applied to both synthetic and real datasets with differences regarding missing data, present in cases where pathologies and abnormalities arise. The datasets include single acquisitions and complete cardiac cycles. The goodness of the reconstructions has been evaluated with medical parameters in order to compare our results with those retrieved by typical software used by physicians.<br/><br/>Besides the direct application to medicine diagnosis, our methodology is suitable for generic reconstructions in the field of computer graphics. Our reconstructions can serve for getting 3D models at low cost, in terms of manual interaction and CPU computation overhead. Furthermore, our method is a robust tessellation algorithm that builds surfaces from clouds of points that can be retrieved from laser scanners or magnetic sensors, among other available hardware.