Capitolo I. Introduzione. I.1 Premessa. I.2 Architettura Generale

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1 Capitolo I Introduzione I.1 Premessa La medicina fruisce costantemente degli strumenti che le scienze e la tecnologia mettono a disposizione per una sempre più completa comprensione dei fenomeni fisici, chimici e biologici che avvengono nel complesso sistema che è l'organismo umano. Negli ultimi decenni alle varie discipline scientifiche sopra menzionate, si è affiancata, in maniera trasversale, l'informatica: fonte d innovazione per tutte. L'enorme potenzialità di calcolo, la possibilità di modellizzare i fenomeni complessi, di immagazzinare e recuperare con grande rapidità le informazioni e di rappresentare in maniera visiva realtà complesse sono solo alcuni degli esempi più appariscenti del contributo enorme che l'informatica fornisce alle varie tematiche delle scienze. I.2 Architettura Generale Molte delle attività condotte presso la sede di Napoli dell'istituto di Calcolo e Reti ad Alte Prestazioni (ICAR) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), presso il cui laboratorio è stato svolto il presente lavoro di tesi, hanno una loro finalizzazione applicativa nella realizzazione di un ambiente di realtà virtuale immersiva di supporto alla diagnostica medica non invasiva. Questa tesi, infatti, si colloca nell'ambito dell attività: Progettazione e sviluppo di una Architettura Software per 7

2 Applicazioni di Grafica 3D real-time altamente immersive del progetto Ambienti di Realtà Virtuale Altamente Immersivi, e fornisce uno strumento informatico a supporto di una delle branche più importanti della medicina: la diagnostica per immagini. In particolare, è in fase d avanzata realizzazione un architettura software basata su tecnologie a componenti, altamente scalabile e performante per la realizzazione d ambienti di realtà virtuale, in grado di connettere dispositivi eterogenei (HMD 1, CAVE 2, Data Glove 3, etc) attraverso l utilizzo d interfacce semplici e portabili. Requisito essenziale della struttura modulare dell architettura è l utilizzo di librerie e strumenti open source e cross platform, che facilitano lo sviluppo d ambienti di realtà virtuale immersiva. Ciò è necessario in quanto le applicazioni attualmente in commercio per la visualizzazione in grafica 3D, costituiscono delle scatole nere il cui contenuto è noto solo alle case produttrici. Esistono inoltre una serie di prodotti open source, che offrono le medesime funzionalità, vincolate però all utilizzo di uno specifico sistema operativo. Un esempio di tali applicazioni é OsiriX, [OSI] software d image processing, sviluppato per piattaforme Apple Macintosh, di cui si riporta l architettura software in figura 1.1. Alcune librerie utilizzate da tale software, quali QuickTime 4 e Cocoa 5, 1 Gli HMD sono caschi con schermi LCD o CRT per la visualizzazione di ambienti tridimensionali. 2 Il sistema CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) fornisce l'illusione di una immersione completa in un mondo sintetico tridimensionale ed in scala reale, che si realizza proiettando immagini stereo sulle pareti ed il pavimento di un cubo all'interno del quale l'utente può muoversi liberamente, vivere una esperienza immersiva indossando semplicemente degli occhiali stereoscopici e interagire con gli oggetti mediante una wand provvista di sensori e pulsanti. 3 Il data GLOVE è un guanto utilizzato nei sistemi di realtà virtuale che indica ad un elaboratore i movimenti e la posizione delle dita dell'utilizzatore. 4 Quicktime è una tecnologia multimediale per sviluppare video, suono, animazione, grafica, testo e musica.[quick] 5 Cocoa è un ambiente di sviluppo object-oriented progettato per sviluppare applicazioni native MacOS X [COCOA] 8

3 costituiscono dei pacchetti commerciali ed, in particolare, Cocoa risulta essere fortemente legato alla piattaforma MacOS X. Sebbene, quindi, siano state utilizzate anche librerie open source e cross platform, come VTK ed ITK, definite qui di seguito, il software risulta essere vincolato alla suddetta piattaforma. Figura 1: Architettura Osirix Scenari virtuali immersivi, interfacce tattili in grado di fornire sensazioni di forza all'operatore costituiscono solo alcune delle possibili tipologie tecnologiche utilizzate per offrire simulazioni sempre più vicine all'esperienza reale e caratterizzate da un alto grado d immersività, che sempre più risponde alle necessità di formazione e training dell'attuale società dell'informazione. In questo modo i medici potranno esplorare il corpo (e anche l anima!) dei loro pazienti [PUN]. Tuttavia, applicazioni di grafica 3D con un buon grado d interattività ed immersività ancora richiedono sistemi altamente specializzati e spesso molto costosi, che necessitano di driver specifici, legando in tal modo lo sviluppo di una particolare applicazione ad un determinato hardware. Pertanto è attualmente molto sentita la necessità di poter disporre di un architettura aperta e flessibile per lo sviluppo di software applicativo che consenta l'integrazione del più ampio range possibile di device e di componenti software, e che sia funzionale a settori di grande interesse, come quello dei beni culturali e museali, del training e della formazione, nonché della visualizzazione e della simulazione medica e scientifica. 9

4 I componenti dell'architettura software individuati per la realizzazione d applicazioni di realtà virtuale altamente immersive, rispondono alle caratteristiche sopra individuate. Dopo un attenta analisi e studio delle problematiche sopra esposte, l architettura scelta per lo sviluppo di applicazioni di realtà virtuale altamente immersive è mostrata in Figura 2. Figura 2 Architettura software per lo sviluppo di applicazioni di realtà virtuale Di seguito è riportata una breve descrizione di ciascun componente software. OpenGL (Open Graphic Library): ambiente per lo sviluppo di applicazioni grafiche 2D e 3D 6. La libreria di basso livello consente, inoltre, di sfruttare l accelerazione hardware delle schede grafiche, che implementano funzionalità per il rendering 7 real-time 3D e compatibili con tale standard; FLTK (Fast Light ToolKit): libreria di alto livello per la creazione 6 Le OpenGL 3D consentono di realizzare applicazioni per la visualizzazione di una scena 3D. Quest'ultima contiene gli insiemi di dati che rappresentano gli oggetti tridimensionali e i dati relativi alle loro illuminazione e posizione rispetto all'osservatore [OPGL]. 7 Processo di generazione di un'immagine a partire da una descrizione di un insieme di oggetti tridimensionali (scena tridimensionale). La descrizione è data in un linguaggio o in una struttura dati definiti rigorosamente e deve contenere la geometria, il punto di vista, le informazioni sulla mappatura delle superfici visibili e sull illuminazione. L' immagine è una immagine digitale; essa fornisce l'aspetto finale al modello o all'animazione illuminazione. 10

5 dell'interfaccia grafica utente (GUI); VTK (Visualization ToolKit): libreria di alto livello per la visualizzazione grafica e l image processing; ITK (Insight ToolKit): libreria di alto livello che implementa algoritmi di registrazione e segmentazione; OSG (Open Scene Graph): libreria di alto livello per applicazioni di grafica 3D ad alte prestazioni in quanto basato sulla struttura dati dei scene graph 8 ; VRJ (ViRtual Juggler): framework per lo sviluppo di applicazioni 3D, orientato all integrazione di device eterogenei; Chromium: Motore di rendering 3d distribuito, che consente di parallelizzare il processo di rendering. Il modello funzionale dell'architettura cui si fa riferimento è mostrato in Figura 3. 8 Lo Scene Graph (grafi di scena) è una struttura dati che organizza logicamente la rappresentazione di una scena grafica. Una scena viene decomposta in oggetti, ogni oggetto in parti, ogni parte in poligoni. [OSG] 11

6 Figura 3: Modello funzionale dell'architettura di Figura 2 I.1 I.3 Obiettivo e scopo della tesi L'architettura considerata per questo lavoro di tesi si concentra sulla visualizzazione, analisi ed elaborazione d immagini medicali. Il software di base messo a disposizione sviluppa un'applicazione open source e cross platform per la visualizzazione e l'elaborazione d immagini medicali in grado di fornire un ambiente per lo sviluppo di applicazioni per la visualizzazione medicale altamente immersiva. Tale architettura è mostrata in Figura 4. Figura 4: Architettura per applicazioni di Medical Imaging 12

7 Lo scopo di questa tesi è la progettazione ed implementazione di un componente software per la segmentazione di immagini mediche all interno di questa architettura. La segmentazione è il processo che suddivide un'immagine nelle sue parti componenti, secondo parametri che sono stabiliti da chi la esegue, poi usate a scopo di analisi, descrizione e riconoscimento a più alto livello. Come si vedrà nel prossimo capitolo, più in generale la segmentazione è una delle fasi del processo di trattamento dei dati medicali dall acquisizione alla visualizzazione finale. Il procedimento di segmentazione è molto importante per almeno due motivi. In primo luogo, permettendo di individuare regioni omogenee, consente di effettuare con estrema facilità delle misurazioni morfometriche altrimenti estremamente complesse; si pensi, ad esempio, alla possibilità di calcolare, con ragionevole precisione, il volume di una massa tumorale a partire da dati tridimensionali ed a quanto ciò possa essere d ausilio alla pianificazione della terapia radiante o di un intervento chirurgico. In secondo luogo consente di classificare i dati a disposizione in maniera tale che siano più facilmente utilizzabili nel seguito. Visto che la segmentazione è un processo che si applica in qualsiasi campo che tratti immagini digitali,(astrologia, visione robotica, telerilevamento,ecc), le quali quindi hanno caratteristiche molto differenti, in questo lavoro di tesi si sono analizzate le principali tecniche di segmentazione presenti in letteratura, se ne è cercata di fare una classificazione elencando pregi e difetti, dopodichè si è giunti all implementazione di tre algoritmi, che sono risultati i più consoni per le caratteristiche di immagini medicali, coniugando in sé le proprietà di efficienza(di calcolo), semplicità di utilizzo e di implementazione, accuratezza del risultato. 13

8 Un esempio di segmentazione è riportato in Figura 5, che mostra l immagine originale di un cervello, e due regioni segmentate dell immagine, rappresentanti rispettivamente la materia bianca e il ventricolo. Figura 5: Esempio di segmentazione su cervello I componenti utilizzati per lo sviluppo del software sono le librerie di alto livello, suddivise in librerie per la gestione dell'interfaccia grafica, librerie per la visualizzazione di immagini e modelli tridimensionali ed, infine, librerie per l'image processing. Alcune delle librerie open source e cross platform, oggi disponibili per la realizzazione dell'interfaccia grafica, comprendono wxwindows [WX], Fox-Toolkit [FOX], FLTK, ecc. Ognuno di questi pacchetti è corredato da una buona documentazione e sono tenuti in continuo sviluppo dai rispettivi gruppi. La scelta è caduta su FLTK, perché risulta essere molto semplice da utilizzare e allo stesso tempo completo. Per quanto riguarda, invece, le librerie di visualizzazione e d image processing, la scelta è caduta immediatamente su VTK e ITK. Questi due componenti, infatti, sono ampiamente utilizzati nel settore del medical imaging e risultano essere uno standard de facto per tali applicazioni. I.4 ITK,VTK,FLTK III.1 I.4.1 Vantaggi dell'open Source e del Cross Platform Con l'avvento dei personal computer, l'informatica si è diffusa in 14

9 un decennio fino a condizionare la vita quotidiana delle persone e delle loro attività professionali. Tale velocità di sviluppo tuttavia non le ha consentito di avere le stesse caratteristiche delle altre industrie produttive, avere cioè numerosi fornitori in concorrenza fra loro. Il software è oggi nella mani di pochi grandi gruppi, che impongono i loro standard proprietari e guidano l'evoluzione più in base ai loro interessi che alla convenienza degli utenti. Come alternativa a tutto ciò è nato il movimento Open Source, divenuto popolare soprattutto grazie alla diffusione di Internet, che è stato ed è tuttora uno dei motori propulsivi dello sviluppo del web. Gran parte dell'infrastruttura tecnologica di Internet è basata su standard aperti e software open source, rilasciato con licenze non restrittive sia nella distribuzione che nell'uso, come GPL 9, LGPL 10, ecc [RALF]. Il più delle volte è utilizzabile gratuitamente, ma la cosa ancor più entusiasmante, soprattutto per i programmatori, è il codice, che può essere studiato, analizzato, modificato, ampliato ed esteso. Viene sviluppato in progetti collaborativi, che spesso coinvolgono sviluppatori da tutto il mondo, provenienti dalle esperienze più diverse. In molti casi questo tipo di software risulta essere più affidabile, e funzionale dell'analogo software proprietario e commerciale. Quale sia la piattaforma verso la quale gli utenti si indirizzeranno nei prossimi anni è una questione aperta. Al giorno d'oggi, la maggior parte degli utenti possiede prodotti Microsoft; allo stesso tempo però c'è la tendenza, oramai irreversibile, a sfruttare le applicazioni multi-piattaforma Open Source, soprattutto per ragioni di costi. Questa tendenza porterà probabilmente ad accantonare l'idea di un sistema operativo 11 GPL (General Public License) garantisce la libertà di condividere e modificare il software libero [GPL]. 10 LGPL (Lesser General Public License), una licenza pubblica meno generale e usata soprattutto per le librerie [LGPL]. 15

10 proprietario. Si può affermare quindi che il multi-piattaforma nasce come conseguenza dei software open source e che l'avvento di nuove piattaforme ha richiesto sempre più al software di essere multipiattaforma. III.2 I.4.2 Caratteristiche comuni di ITK e VTK ITK (Insight Toolkit) è un toolkit software che offre funzionalità di segmentazione e registrazione, VTK (The Visualization Toolkit) offre funzionalità prettamente orientate alla visualizzazione delle immagini e dei modelli tridimensionali. Entrambi sviluppati in C++, open source e cross platform, utilizzano processi di wrapping per generare l'interfaccia tra C++ ed altri linguaggi interpretati quali Tcl, Java e Python. I toolkit forniscono, quindi, un supporto alla programmazione di basso e alto livello. Nella programmazione ad alto livello si costruiscono l'interfaccia dell'applicazione e la pipeline. Quest'ultima è composta usando le classi di VTK e ITK come blocchi elementari; a questo scopo si può usare un linguaggio interpretato senza compromettere le prestazioni. Nella programmazione di basso livello Per soddisfare particolari esigenze le librerie possono essere estese inserendo nuove classi. I due toolkit, inoltre, presentano alcune caratteristiche funzionali in comune. Alcuni algoritmi di segmentazione, ad esempio, sono implementati in entrambi i software. Altri algoritmi per l'elaborazione delle immagini, quali la rotazione, il ridimensionamento, i filtri per lo smoothing, ecc. sono implementati in entrambi i pacchetti. Oltre ad offrire funzionalità comuni, essi presentano anche caratteristiche architetturali del tutto identiche. In particolare, la gestione del flusso dei dati, presenta un'architettura a pipeline di seguito descritta. Le pipeline supportano la 16

11 programmazione multithreading 11 e consentono di lavorare in streaming 12. Questa caratteristica consente di utilizzare al meglio, ovvero nel modo più efficiente, la memoria e le risorse dell'elaboratore. I Architettura Pipeline Una pipeline è costituita da una serie di process objects che operano su uno o più data objects. Contrariamente all'uso comune nella programmazione object oriented, in VTK ed ITK si è scelto di separare i dati dalle procedure che li elaborano. I dati sono incapsulati nei data objects, le procedure nei process objects. I data objects costituiscono le informazioni di partenza, pertanto il loro trattamento è particolarmente delicato, in quanto può dar luogo ad eliminazione o aggiunta di informazioni e può essere solo effettuato mediante metodi formali 13. Questo approccio è particolarmente importante nei sistemi in cui la riservatezza dei dati e la sicurezza sono determinanti e assicura che non siano introdotti errori nel processo di definizione delle specifiche, in quello di sviluppo, nel controllo dei risultati e nella progettazione dei benchmark. I dati differiscono in funzione della loro rappresentazione interna, che è influenzata dai metodi mediante i quali sono raccolti, memorizzati ed elaborati, e dai processi che interagiscono con gli stessi. I dati di partenza, pertanto, possono essere impiegati per ottenere rappresentazioni diverse o di diversa efficacia rappresentativa. I process objects si dividono in source, filter e sink objects in base alla presenza di uno o più input od output, come illustrato in Figura 8 [SCKR]. 11 Il multithreading è una tecnica che permette di avere più flussi di esecuzione contemporanei (thread) di uno stesso programma in esecuzione, su CPU differenti o sulla stessa. 12 Lo streaming consente di suddividere, in modo trasparente, i dati in parti più piccole, che una volta elaborate, possono essere riassemblate per ottenere il risultato finale. 13 Tecniche basate sulla definizione matematica di specifiche, sviluppo e verifica di sistemi. 17

12 Figura 6: Tipi di Process Object nella pipeline di ITK E VTK I source objects sono oggetti che producono un data object leggendolo da un file (reader) oppure costruendolo mediante una procedura (procedural source). Gli oggetti di tipo filter possono avere più input e produrre più output, un singolo output può essere usato come input da più filtri (multiple fan out). I sink objects esportano data objects su di un file (writer) oppure verso il mapper che consente di esportare i dati verso altri sistemi. In Figura 12 sono illustrate alcuni esempi di molteplicità degli oggetti filter. Figura 7: Molteplicità degli ingressi e delle uscite delle pipeline di ITK e VTK La connessione tra due process object avviene di solito tramite l'istruzione: Filtro2->SetInput(Filtro1->GetOutput()); Per filtri con più entrate o uscite esistono forme di sintassi analoghe. Le connessioni sono tipizzate, si possono agganciare solo process object che si scambiano un data object di tipo compatibile. Affinchè la pipeline produca il risultato atteso occorre che tutti i process objects siano mandati in esecuzione, l'intero processo è chiamato esecuzione della pipeline. 18