High-performance GPU based rendering for real-time, rigid 2D/3D-image registration in radiation oncology

Abstract

Diese Arbeit präsentiert einen Vergleich verschiedener Hochgeschwindigkeits-Rendering Verfahren für die Anwendung in der 2D/3D Bildregistration im Bereich der Strahlentherapie. Image Guided Radiation Therapy (IGRT) ist eine Technik, welche die Krebsbehandlung mit ionisierender Strahlung dahingehend verbessert, dass im Vorhinein erstellte Behandlungspläne auf die aktuelle Situation während der Behandlung abstimmt werden. Dazu wird 2D/3D Bildregistration eingesetzt.<br />Um diese zu beschleunigen, hat auch das Rendering von Digitally Rendered Radiographs (DRR) schneller zu erfolgen. Diese Arbeit entwickelt das GPU basierte Wobbled Splat Rendering Verfahren von Spoerk et al. (2007) weiter und vergleicht dieses mit einem neu entwickelten GPU basierten Ray Casting Verfahren. Dazu wird die Qualität der DRRs und die Leistungsfähigkeit der Verfahren sowie der Einfluss der unterschiedlichen Renderingverfahren auf den gesamten Registrationsprozess gemessen und im Detail analysiert. Die Resultate dieser Messungen zeigen, dass beide Verfahren zwar konkurrenzfähig sind, Ray Casting jedoch in seiner aktuellen Implementierung einige Vorteile gegenüber Wobbled Splat Rendering aufweist.<br />

This thesis presents a comparison of high-speed rendering algorithms for the application in 2D/3D-image registration in radiation oncology. Image guided radiation therapy (IGRT) is a technique for improving the treatment of cancer with ionizing radiation by adapting the treatment plan to the current situation using 2D/3D-image registration. To accelerate this procedure, also rendering of Digitally Rendered Radiographs (DRR), as a part of it, has to be performed faster.<br />In the context of this thesis, a GPU based wobbled splat rendering algorithm based on the work of Spoerk et al. (2007) is further improved and compared to a newly developed GPU based ray casting implementation.<br />For comparison, rendering quality and performance as well as the influence on the quality and performance of the overall registration process are measured and analyzed in detail. These results show that both methods are competitive although ray casting has in its current implementation several advantages over wobbled splat rendering.