Pozitron-Emission Tomography Reconstruction (A computer graphics view) Szirmay-Kalos László.

Slides:



Advertisements
Hasonló előadás
Getting started with intercultural dialogue - perspectives from HungaryAvviare il dialogo interculturale – prospettive nei musei ungheresiGetting started.
Advertisements

Mobile Voice Communication Project Review •Cooperating partners: Cisco and T- Mobile, HTTP Foundation •Aim: new course on Cisco WLAN and Mobile.
IP addressing Számítógép networkok gyakorlata ÓBUDAI EGYETEM 2011 TAVASZI FÉLÉV 3. LABORGYAKORLAT PRÉM DÁNIEL.
Tester Developer Architect Project Manager Business Analyst Designer Database Professional.
Mintacím szerkesztése •Mintaszöveg szerkesztése •Második szint •Harmadik szint •Negyedik szint •Ötödik szint D modelling in the terrestrial.
The Hungarian language
"Shoes on the Danube Bank” "נעליים בטיילת הדנובה"
Pannon Egyetem – Fizika Intézet University of Pannonia – Institute of Physics Metamer minták „előállítása” és színinger-metrikai felhasználása ’Producing’
Optikai sugázrás hatása az emberi bőrre és szemre
Nyugdíjreform folyt. köv.? Pension Reform To Be Continued? Bodor András “PENSION REFORM IN HUNGARY: DO WE NEED ONE (PILLAR) MORE?” symposium Washington.
The man the boy and the donkey A férfi a fiú és a szamár.
Dreams. How much does our dream cost? If we plan something or dream about somthing we hope them to come true. If we plan something or dream about somthing.
Les meilleures photos de L'année 2005 D'après NBC A life for two, full of tenderness, obtains happiness as they get closer to heaven. Az élet kettesben.
What is the Mission Situation in Hungary?. Dr. György KOVÁCS What Is The Mission Situation In Hungary? Presentation Design by Ed Nickle – United World.
„ Bottom-up” cluster development and cooperation in Hungary Hungarian Confederation of Clusters and Networks Conference on cluster-cooperation in the V4.
Árvai Zoltán Számalk Oktató központ.
GPU Szirmay-Kalos László.
Térfogatvizualizáció Szirmay-Kalos László. Térfogati modellek v(x,y,z) hőmérséklet sűrűség légnyomás potenciál anyagfeszültség... v(x,y,z) tárolás: 3D.
Bevezetés a tárgyakhoz Tárgyak  Objects are the containers for values of a specified type  Objects are either signals, variables or constants  Once.
FelültöltésVHDL Felültöltés (Overloading) n Áttekintés n Példák.
Elválasztástechnikai Kutató és Oktató Laboratórium Injektálási technikák.
Basics A few things one must know. Slides Insert a title slide Put a title on it.
„21. századi közoktatás – fejlesztés, koordináció” TÁMOP / számú kiemelt projekt eTwinning: a digital touch in teacher training Klaudia.
Infokommunikációs rendszerek 12
Infokom. rendsz. 11. előadás nov Kommunikációs rendszerek alapjai 11. előadás Rádiós adathálózatok Bluetooth, ZigBee, WiFi, WiMAX, Takács.
Infokommunikációs rendszerek 11
Infokom. rendsz. 2. előadás szept. 13. komea_2_ Infokommunikációs rendszerek 2. előadás Technológiák I. Vezetékes átviteli közegek Takács György.
Course Situation and Event Driven Models for Multilevel Abstraction Based Virtual Engineering Spaces Óbuda University John von Neumann Faculty of Informatics.
The worlds biggest hole is located in Russia. The giant hole is actually a diamond mine in Eastern Siberia near the town of Mirna.It is 525 m deep and.
Oracle multimédia Kiss Attila Információs Rendszerek Tanszék
Természetesen P = Q = O esetén O + O = O. Tetszőleges, nem 2, vagy 3 karakterisztikájú test esetén hasonló módon eljárva E(K)-n zárt műveletet.
Vörös László PTE Térelemzés F. Farkas Tamás képeihez Vázlat Ybl 2011.
Fénynél sebesebben? Kísérleti kétségek és remények ELTE, 2011 október 5.
Bevezetés a kísérleti részecskefizikába 2OO7.
Európai Neutronkutató Központ létesítése Magyarországon
KÖZÉP-ÁZSIA:A GREAT GAME- MASODIK FELVONÁS Tamás Pál MTA SZKI.
„MICROSOFT IT ÜZLETI INTELLIGENCIA MEGOLDÁS BEMUTATÓ” Avagy az IT adat vizualizációs lehetőségi egyéb szervezeti egységek felé („ablak” a nagyvilágra)
„MICROSOFT SYSTEM CENTER 2012 OPERATIONS MANAGER” Intelligens mérési megoldások gyorsan Benkovics Viktor Vezető tanácsadó Microsoft Magyarország – Services.
Alertet indíthat egy: SQL Server esemény (LOG) SQL Server performancia érték WMI events Alert végezhet: Operátor értesítést JOB indítás (válasz az eseményre)
Projektmunka az NI-nál
Elektroanalitikához segédábrák Az ábrák több, részben szerzői jogokkal védett műből, oktatási célra lettek kivéve. Csak az intranetre tehetők, továbbmásolásuk,
Elválasztástechnika segédábrák 2 Az ábrák több, részben szerzői jogokkal védett műből, oktatási célra lettek kivéve. Csak az intranetre tehetők, továbbmásolásuk,
Egy GAZDAG HIBAJELENTÉS elég információt tartalmaz ahhoz, hogy AZONNALI LÉPÉSEKET lehessen tenni, a javítás érdekében.
Kajcsos Zsolt MTA KFKI Részecske-és Magfizikai Kutató Intézet Nagyspinű és kisspinű állapotok tanulmányozása pozitrónium kölcsönhatások által.
Biometria I. SANB_BI1019 Pearson-féle Chi-négyzet (χ2) teszt Molnár Péter Állattani Tanszék
Null Hypothesis (H 0 ) is true He truly is not guilty Alternative Hypothesis (H 1 ) is true He truly is guilty Accept Null Hypothesis Acquittal Right decision.
EGEE-II INFSO-RI Enabling Grids for E-sciencE EGEE and gLite are registered trademarks P-GRADE Portal gyakorlat ismertető Gergely.
Veleszületett szívhibában szenvedők szív transzplantációjának jelene, jövője Prof. Dr. Bodor Elek.
Hasznos ismeretek Hogyan bővítsük ismereteinket AVRDUDEflags -E noreset.
SUGÁRZÁS TERJEDÉSE.
Tanulni, tanulni, tanulni Értékesítői képességek, a személyzet képzése.
Könyvtár, csomag és alprogramokVHDL Könyvtár, csomag és alprogram n Library és use n Package n Alprogramok –Procedure –Function –Resolution function Egy.
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 1 Tokozások termikus tesztje, minősítése.
Multilingual websites in Hungary Gabriella Szalóki Egy előadás könnyen vitára ösztönözheti a hallgatóságot. A PowerPoint bemutatók használatával azonban.
Térfogatvizualizáció Szirmay-Kalos László. Térfogati modellek v(x,y,z) hőmérséklet sűrűség légnyomás potenciál anyagfeszültség... v(x,y,z) tárolás: 3D.
Térfogatvizualizáció
Térfogatvizualizáció
Készült az ERFP – DD2002 – HU – B – 01 szerzősésszámú projekt támogatásával Chapter 6 / 1 C h a p t e r 6 Elastic Critical Plate Buckling Loads.
Készült az ERFP – DD2002 – HU – B – 01 szerzősésszámú projekt támogatásával Chapter 1 / 1 C h a p t e r 1 Introduction.
TALÁLTAM EGY OLDALT AHOL EZEKET A “TOJÁSOKAT” LEHET LÁTNI. NAGY MÛVÉSZNEK KELLET LENNI, HOGY ILYEN SZÉPEN TUDTA FORMÁZNI A TOJÁSOK HÉJÁT, DE SZERINTEM.
Web Application 1 Web Application 3 Web Application 2 Web Application 4 Shared Service Provider 1 Shared Service Provider 2 Excel Services1 Search1.
Design Thinking módszertan Juhász Dániel UI Designer / DT Coach Buday Balázs Product Owner / DT Coach.
Fej irányultságának becslése Ügyféltérben gyanús viselkedés jelzéséhez Kültéren kiegészítő hő szenzor szükséges.
GPU alapú fotontranszport nagyfelbontású heterogén közegben BME IIT Szirmay-Kalos László Magdics Milán Tóth Balázs.
Mikro- és nanotechnológia Vékonyréteg technológia és szerepe a CRT gyártásban Balogh Bálint szeptember 21.
Ruletták a Minkowski síkon
Pairwise object comparison based on Likert-scales and time series – the idea of human-oriented science in light of artificial intelligence and value.
What would x have to be in order for the mean to be 8?
Eastern Analytical Symposium, Princeton NJ
Antibiotic Drug Prescription
Előadás másolata:

Pozitron-Emission Tomography Reconstruction (A computer graphics view) Szirmay-Kalos László

Scalar fields 3D tér pontjaiban egy skalár érték Skalár: hőmérséklet, sűrűség nyomás, potenciál, … Származás: Euler-i szimuláció, Rekonstrukció (tomográfia) tárolás: 3D textúra vagy „voxel tömb” x y z v(x,y,z)

Visualization of scalar fields Megjelenítés fényszóró anyag (participating media) analógiáját felhasználva (belsejébe belelátunk) Adott szintfelület kiemelése (külsőt lehámozzuk) Transzfer függvény Sűrűség + deriváltak v grad v Optikai paraméterek Kép szintézis Kép

Fényszóró közeg Albedo a: az elnyelődés valószínűsége feltéve, hogy az ütközés bekövetkezett Fekete test: albedo = 0 dsds A=1A=1 Hatáskeresztmetsz et, alias kioltási tényező  ·ds = P(ütközés)

Sugársűrűség változása dsds L(s)L(s) s L(s+ds) L(s+ds)= L(s) – L(s)·  (s)·ds + L e (s)·ds +  (s)·a(s)·ds·  f(  ‘,  )L i (  ‘)d  ‘ // Kiszóródás+abszorbció // Emisszió // Beszóródás dL(s)/ds = –L(s)·  (s) +L e (s)+L inscatter (s) Megoldás fényelnyelő közegre (emisszió és beszóródás nincs): L(s)= L(0)·exp(–  s  (s)ds)

Tomography L(s)= L(0)·exp(–  (s)ds)  (s)ds = – log L(s)/L(0) L(s)=  L e (s)ds Absorption Emission P N P N P N N e-e- e+e+ Mediso NanoPET TM /CT

Reconstruction

FBP = Filtered backprojection Measurement + back projection w(x,y)=w(r)  1/r i(x,y)=  (x,y)  w(x,y) dxdy=  2   R w(r) rdrd  = =2   R w(r)r dr  R Circle of radius R: Impulse response: Correction in frequency domain o(x,y)=i(x,y)  w(x,y) F x F y o[  x,  y ] = F x F y i[  x,  y ]  F x F y w[  x,  y ] 1/|  | F x F y i[  x,  y ] = F x F y o[  x,  y ]  |  | drdr rdrd r Ramp filtering

Algebric back projection v1v1 v1v1 v3v3 v4v4 d 1 = A 11 v 1 +A 13 v 3 d2d2 d3d3 d4d4 Lin egyenlet (V<D): d = A  v,d = [d 1,..., d D ] v = [v 1,..., v V ] Moore féle pseudo-inverz: A T  d = A T  A  v v = (A T  A) -1  A T  d = A +  d (D)(D) (D×V) (V)(V) (V×D)(D)(D) (V×V)

Iteratív séma Skalármező korrekciója Projekció: vonalintegrálok Összevetés a mért értékekkel

Light photons Relativistic mass is small: E = mc 2 = hf Photon’s energy (wavelength) does not change upon elastic collision Absorption probability is energy dependent Wavelengts can be handled independently e-e- e-e-

Gamma photons Relativistic mass is significant Photon’s energy (wavelength) changes upon collision Absorption probability is energy dependent Wavelengts cannot be handled independently e-e- e-e-

Compton scattering and the Klein-Nishina phase function incident photon scattered photon z x y φ  collision E E’ Klein-Nishina differential cross section (extinction coefficient): Compton formula: P(E,  ) = … Rejection sampling u Table driven sampling Electron density E/m e c 2 Cross section E/m e c 2  1  C(1+cos 2  )

Gamma photon transport Compton scattering + Klein-Nishina formula = New –Direction –Energy (freq) Detector grid

Why is it important? Measured detector response Source distribution ??? Density distribution from CT

Iterative reconstruction Source estimation Measured detector response Source correction Source distribution ??? Compute detector response Estimated detector response Density distribution from CT

PET e-e- e+e+ LOR: y Intensity: x

Finite-element approximation x (v)   N  x V b V (v) 1 b1b1 b2b2 b3b3 constant 1 b1b1 b2b2 b3b3 Tri-linear boxtent Higher order filter more accurate more sensitive to noise Non-CC grid?

BCC and FCC grids CCBCC FCC

System matrix 10 8 LOR responses: 10 7 voxel intensities: Probabilities that a photon pair emitted in voxel V is detected by LOR L Problems: –Huge matrix: 10 8 ×10 7 –A matrix element is an infinite-dimensional integral –Matrix element depends on the measured object (CT) Compute matrix elements on-the-fly (like in radiosity) voxel

Iterative solver Correction Back-projection Measures LORs Computed LORs ~~~~ Forward-projection Current voxel intensities

Back-projection Maximum likelihood estimation What is x based on y ? Find x that maximizes P(y|x) State: x Measurement result: y Bayes estimation: P(x|y)=P(y|x)P(x)/P(y)

Back-projection Measured LOR hits have Poisson-distribution with means of the current estimate: Joint probability: Likelihood: logarithm of the joint probability: Estimate x maximizes the likelihood: ~ ~ +const

Gathering not shooting! –Forward: voxels to LORs –Backward: LORs to voxels Parallel implementation issues ~ ~ Ratios: Same relative error in all detector pairs For each LOR L: For each voxel V:

Solution alternatives for gamma photon transport Physicists’ approach: 1.Direct mathematical model of a phenomenon 2.Solution algorithm is the simulation of the nature 3.Porting to the computer 4.Performance tuning Computer graphics approach: 1.Computer architecture 2.Algorithm that is efficient on this architecture 3.Tuning to the problem

Physicists’ approach Detector grid

Physicists’ approach Detector grid

Physicists’ approach Detector grid

Physicists’ approach Detector grid

Woodcock tracking: Free path length sampling in heterogeneous medium e -  max x  max ss ss CG approach: x  S

Physicists’ approach Pros –Direct simulation of nature –Rejection sampling can mimic the Klein-Nishina phase function and free path length. –Paths are computed independently, so it scales well on MIMD (multi-CPU = slow and expensive) Cons –Bad on SIMD (rejection sampling is a loop) –Similar absolute error in detectors, the relative error is 1/  n where n is the number of hits. –Paths are computed independently, so it cannot exploit coherence (cannot reuse information) –Random writes

Computer graphics approach SIMD-like algorithm (GPU) –Independent threads (gathering) –“No” conditional statements or variable length loops Reuses paths –Detector view (gathering) Same relative error in all detector pairs –Same number of samples in all detector pairs –Detector view (gathering) Solve the adjoint problem  –Like path tracing instead of photon tracing –Integral transformation (Jacobi determinant)

CUDA: implementation platform GPU CPU + Host program Kernel programs: Threads Thread blocks Warps, … Thread block Fast shared memory SIMD Quasi-SIMD

Adding two N-element vectors __global__ void AddVectorGPU( float *C, float *A, float *B, int N ) { int i = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x; // thread id if (i < N) C[i] = A[i] + B[i]; } float C[100000], A[100000], B[100000]; int main ( ) { … int N = ; … int blockDim = 256;// number of threads per block int gridDim = (N + blockDim – 1) / blockDim;// number of thread blocks AddVectorGPU >>(C, A, B, N); … } Runs on GPU, called from CPU 0,…, blockDim.x-1 0,…, gridDim.x-1

Path reuse! Detector 1Detector 2

Integral transformation dz1dz1 dz2dz2 dA: perpendicular area dv: differential volume dl: chord length emission point d  2 : solid angle in which dz 2 is visible from D2D2 D1D1 d  : solid angle in which dz 1 and dz 2 are visible from

Forward projection Detector 1Detector 2 voxel NtNt NaNa = =

Back projection Detector 1Detector 2 voxel NtNt NaNa ~ ~ It can change in time! OSEM sample perturbation ~ Solid angle of the farther detector:

Detector sampling

Rnd Poisson-disk

Detector modeling

Measurements and phantoms 18x32 4 LOR … voxel

Time: NV GeForce GTX 285 GPU utilization: 25%

GPU optimization Registers assigned to a thread (32->64) Forward and back-projection re-structuring –Forward: –Back:

Error: voxels

Reconstruction quality N_detline=1 N_detline=16, Poisson diszk ref

Single scatter compensation Sample the location of the scattering point Reusing rays: Evaluate many integrals in parallel What to sample? What mimics all integrands? Scattering point = + 3 dimensions

Single scatter compensation accumulated emission accumulated attenuation accumulated attenuation Importance sampling:

General scatter compensation 1. Scattering points 2. Ray marching from detector to scattering points 3. Combination of paths

Scatter compensation

Stochastic iteration EM objective function (likelihood): Expected value has some error! Deterministic error Convergent but to a bad value Random error Not convergent

Stochastic iteration New likelihood Only in forward projection

Likelihood

Reconstruction error

100 iterations, 1 sample/LOR 2 billion photons pair/iteration FP=4 sec, BP=5 sec ref  n =2/n  n =3/n  n =1/n Without stochastic iteration Det Rand

Scatter compensation Geometria Single scatteringDouble scattering