Zdrowie: SinusMED

Krótki opis usługi

Zadaniem programu SinusMED jest segmentacja zatok przynosowych z surowych tomogramów głowy (dane CT). Zatoki są dzielone na obszary na podstawie wybranego atlasu (dane wzorcowe), przygotowanego przez eksperta. Przeniesienie oznaczeń z atlasu na dane wejściowe wykonywane jest za pomocą funkcji nieliniowego (odwracalnego) przekształcenia punktów z przestrzeni danych na przestrzeń atlasu. Określenie parametrów tego przekształcenia stanowi główną część programu realizującego zadanie segmentacji. Zwracany atlas jest przekształcany do przestrzeni danych wejściowych i może zostać bezpośrednio naniesiony na surowe dane wejściowe.

Zarys algorytmu

Parametry:

• Dane wejściowe: tomogram głowy – nieprzetworzone dane CT
• Atlas docelowy (model): dane oznaczone przez eksperta – wybierany przez użytkownika z listy zainstalowanych atlasów (obecnie dostępny jeden)
• Profil pracy: jakość dopasowania – odpowiada dokładności ostatecznego wyniku (im większa tym dłuższy czas wykonania)

Wizualizacja dostępnego atlasu (widoczny od prawej strony głowy):

Program jest podzielony na cztery etapy:

1. Wstępna segmentacja: zatoki są lokalizowane przez znalezienie otworów nosowych, a następnie przez wyszukanie połączonych z nimi przestrzeni powietrznych. Dane wejściowe są dodatkowo przycinane do obszaru otaczającego zatoki. Poniżej zaprezentowano przykładową segmentację w kontekście obrazu kości wydobytego z danych wejściowych. Dla przyspieszenia działania programu, po znalezieniu zatok, dane wejściowe są przycinane do obszaru je otaczającego.
   
2. Dopasowanie afiniczne: dane CT przycięte w poprzednim kroku są dopasowywane do danych CT, na podstawie których został zrobiony atlas (są to dane stowarzyszone z atlasem). W tym kroku wyszukiwane jest tylko przekształcenie afiniczne między tymi danymi, minimalizujące różnice w obrazach.
   
   (Na trzecim obrazie widać przestrzenną relację obrazów przed dopasowaniem, a na ostatnim stan po dopasowaniu afinicznym)
3. Dopasowanie giętkie: zatoki wysegmentowane w pierwszym korku są dopasowywane nieliniowo do danych wzorcowych (wyginane i rozciągane, ale bez zmiany ich topologii). Za punkt wyjściowy brane jest przekształcenie znalezione w drugim etapie. To jest główny i najbardziej czasochłonny etap. Niżej przedstawiono wynik dopasowania przy profilu normalnym.
   
   
4. Deformacja atlasu: dokonywana jest deformacja atlasu zgodnie z przekształceniem znalezionym w trzecim etapie. Wyniki są przenoszone do przestrzeni surowych danych wejściowych CT.
   

Dane wejściowe

Program jest przygotowany jako narzędzie do przetwarzania danych z tomografii komputerowej (CT). Wynik działania na danych z innych badań (np. MRI) nie będzie poprawny.

Format danych

Przyjmowane są dane w postaci serii obrazów DICOM i w formacie surowym rdata. Dane przed przesłaniem muszą zostać spakowane do archiwum zip i w takiej formie są przyjmowane przez program.
Jeżeli przesłane obrazy DICOM zawierają wiele serii danych, to do dopasowania wybierane są te o odpowiedniej orientacji, tj. przekroje są prostopadłe do osi głowy (orientacja jest określana na podstawie metadanych). Zakłada się, że przesłany obraz jest wynikiem badania głowy. W przypadku gdy przesłany DICOM zawiera wiele serii o odpowiedniej orientacji, to wybierana jest ta seria, która jest największa (pod względem wielkości danych). Jednak ze względu na wielkość danych tego typu zaleca się by do programu przesyłane były tylko dane zawierające serię, która ma być użyta podczas segmentacji.

Aktywowanie usługi

Przed pierwszym skorzystaniem z usługi SinusMED należy założyć konto w portalu PL-Grid. Udostępnia ono podstawowy dostęp do infrastruktury obliczeniowej polskiej nauki. Szczegóły podaje podręcznik: Zakładanie konta w portalu

Po założeniu konta w portalu należy aktywować dwie niezbędne usługi:

1. Globalny dostęp UNICORE oraz
2. SinusMED znajdujący się w sekcji Platforma dziedzinowa: Zdrowie.

Aktywacja usług kontrolowana jest w zakładce "Moje konto" portalu i powinna przebiec automatycznie. Detale zarządzania usługami podaje podręcznik: Aktywacja i rezygnacja z usług.

Od tego momentu jest możliwa praca z usługą SinusMED. W przypadku prowadzenia dużej ilości symulacji zalecamy stworzenie tzw. grantu obliczeniowego, który pozwoli na użycie większej ilości zasobów infrastruktury PL-Grid niż jest to dostępne dla każdego, zaraz po założeniu konta. Szczegóły podaje rozdział podręcznika: Granty obliczeniowe.

Pierwsze kroki

Logowanie do usługi 

Aby uzyskać dostęp do interfejsu usługi SinusMED należy zalogować się do portalu UNICORE. Szczegóły dostępne są w rozdziale podręcznika UNICORE Portal. W dużym skrócie wystarczy wejść na adres https://unicore-portal.grid.icm.edu.pl/portal i zalogować się przy pomocy nazwy użytkownika i hasła PL-Gridowego.

Po zalogowaniu się w głównym, lewym menu interfejsu portalu należy wybrać pozycję "SinusMED".

Interfejs główny

Poniższy zrzut ekranu przedstawia widok główny interfejsu usługi. Górna część zawiera przycisk tworzący nową symulację (1) oraz pod nim tabelę z wszystkimi symulacjami SinusMED jakie dotychczas zostały zlecone (3). Przy pierwszym uruchomieniu tabela będzie pusta. Podczas pracy z konkretną symulacją można kontrolować rozmiar tabeli z zadaniami poprzez przeciągnięcie poziomej belki znajdującej się pod nią lub ją całkowicie schować za pomocą przycisku (3).

Stworzenie nowej symulacji

Przed przystąpieniem do zlecenia nowej symulacji należy przygotować dane, na których symulacja będzie działać. W tym celu należy spakować do jednego pliku zip wynik badania CT. Badanie takie zawiera wiele plików w formacie DICOM, często umieszczonych w strukturze podkatalogów. Usługa znajdzie serie danych DICOM w największym rozmiarze w paczce zip i na nich będzie prowadzona analiza.

Po kliknięciu przycisku (1) pod tabelą z zadaniami pojawi się zakładka, w której można podać ustawienia i dane wejściowe symulacji. W kolejności należy wypełnić następujące pola:

1. Nazwa symulacji, która może być dowolna, powinna być intuicyjna dla użytkownika.
2. Nazwa grantu obliczeniowego PL-Grid. Podanie nazwy grantu jest opcjonalne, jeśli nie zostanie podana będzie użyty grant domyślny, ustawiony w portalu PL-Grid.
3. Dane wejściowe. Przygotowany plik wejściowy .zip powinien zostać wysłany poprzez wybranie go w oknie pojawiającym się po kliknięciu w przycisk Upload. Alternatywna wersja wyboru pliku z zasobów dyskowych infrastruktury jest opisana w dalszej części dokumentu.
4. Atlas określa do którego zestawu danych wzorcowych ma być dopasowany zbiór danych wejściowych.
5. Profil pracy (execution profile) określa proporcję pomiędzy dokładnością a czasem wykonania zadania. Symulacja w najniższej jakości zakończy się w czasie znacznie krótszym niż godzina. Symulacja w najwyższej jakości będzie trwać około 8 godzin (jest to wartość bardzo orientacyjna).

Po ustawieniu danych wejściowych symulację można rozpocząć poprzez kliknięcie w zielony przycisk ze strzałką.

Uruchomiona symulacja wpierw oczekuje na przydzielenie zasobów, na których zostanie wykonana. Ten okres trwa różnie w zależności od obciążenia infrastruktury jednak zazwyczaj około minuty. W momencie, gdy symulacja zostanie faktycznie rozpoczęta (wszystko to dzieje się automatycznie i nie wymaga interwencji użytkownika) pojawi się w interfejsie czerwona ikonka, za pomocą której można anulować zadanie - np. jeśli zostało zlecone omyłkowo.

Oczekiwanie na zakończenie symulacji naturalnie nie musi odbywać się z otwartą zakładką tejże. Również nie ma konieczności bycia zalogowanym do portalu usługi. Otwarcie wcześniej zleconej symulacji jest opisane w sekcji poniżej.

Przeglądanie i interpretacja wyników

Po zakończeniu symulacji portal automatycznie pobierze jej wyniki (ten proces może potrwać do około minuty) i je zaprezentuje.

Górna część zakładki symulacji pokazuje jej podstawowe dane (A). Dolna część pozwala wybrać tryb prezentacji wyników (C). Podstawowe tryby to:

1. Input only, w którym jest prezentowany jedynie zbiór danych wejściowych
2. Final result, pokazujący finalny wynik symulacji nałożony na tło będące danymi wejściowymi.

Pozostałe tryby są użyteczne w przypadku analizy przebiegu samej symulacji (zapewne niedostatecznie dokładnej) i pozwalają określić w którym momencie jej wykonanie zaczęło odbiegać od zamierzonego wyniku.

Suwaki pozwalają kontrolować prezentowany przekrój (D) oraz stopień przezroczystości (E) nałożenia wyników (nieistotne przy oglądaniu samych danych wejściowych). Ponieważ dane obrazowe są spore zaleca się, szczególnie przy słabszym łączu internetowym, przeciąganie suwaków zamiast używania przycisków '+' i '-'. Przyspiesza to znacznie zmianę widoku.

Interfejs pozwala również na pobranie wyników symulacji (B) na lokalną maszynę w celu dalszej analizy za pomocą własnego oprogramowania umożliwiającego interaktywną trójwymiarową wizualizację, wykonywanie pomiarów i analizy ilościowe.

Praca z wcześniej zleconymi symulacjami

Jak już zostało wspomniane, tabela (3) zawiera listę wszystkich symulacji. W rzadkich przypadkach może zajść potrzeba jej odświeżenia pierwszym przyciskiem z menu (4). Symulacje można otworzyć albo z menu kontekstowego albo poprzez podwójne kliknięcie. Portal wpierw sprawdzi aktualny stan symulacji, a następnie wyświetli jej wynik lub informacje o tym że wciąż jest w toku (w sposób identyczny jak po zleceniu nowego zadnia).

W menu kontekstowym tabeli zadań (3) można również skasować niepotrzebne symulacje oraz uzyskać dostęp do przeglądarki wszystkich plików zadania.

W przypadku przeprowadzania wielu symulacji na tych samych danych można skorzystać z wcześniej wysłanych danych wejściowych poprzedniego zadania lub (dla zaawansowanych użytkowników) danych umieszczonych w gridowej przestrzeni danych za pomocą innych narzędzi (klienci systemu UNICORE lub menadżer danych portalu). Aby tego dokonać, należy przy przygotowywaniu zadania wybrać wariant Input file from a Grid storage, a następnie otworzyć okienko wyboru plików dostępnych na infrastrukturze. W najczęstszym wariancie - wykorzystania plików poprzedniej symulacji - należy odszukać jej przestrzeń plików, rozwinąć, a następnie wybrać plik wejściowy.

Gdzie szukać dalszych informacji?

W przypadku problemów z usługą oraz w celu zgłoszenia próśb o rozszerzenie należy je zgłaszać do Helpdesku PL-Grid do kolejki UNICORE.