VMTKGui : an innovative tool for anatomical three dimensional reconstruction

The main target of this thesis is to describe the development of the graphic interface, VMTKGui. This tool can be used with Vascular Modeling Toolkit (VMTK), an already-existing software used to precess medical images, in particular vascular vessels, as the name suggests in order to reconstruct a certain geometry. This graphic interface has the goal to partly automate the reconstruction of vascular geometries, starting from a medical ct-series in DICOM format. To do this, we use some libraries offered from another software, VTK which is an open-source, freely available software system for 3D computer graphics, image processing and visualization. The tool that we realize should be able to reconstruct the geometry we want (in this specific case we should reconstruct the left ventricle, the mitral valve and the final part of the ascending aorta) in order to build a three-dimensional mesh needed for numerical simulations of the flow in that area. The GUI has been coded in Python, for which VMTK provides a clear interface. This work is divided into 4 chapters: in the first chapter an overview of the project is presented. The state of the art of medical images visualization is described at the very beginning. Furthermore, the targets of the project are pointed out; also, in the final section, some practical applications are discussed and the importance of the VMTKGui is clarified. In the second chapter we give the theoretical details about the technique we decided to use, i.e. the Level Set Segmentation (LSS) technique. Thanks to this technique it is possible to reconstruct a 3D geometry that can be meshed and then used for simulations. In the first section of this chapter we present different algorithms for geometrical reconstruction, while in the second one we give the details about the LSS and its implementation and we explain why such a choice. The third chapter contains the VMTKGui user's guide: all the steps are detailed. And, for each step, we list the problem, we give some hints about the command and its usage and, finally, we present a practical example (in this case we reconstruct the descending aorta). Finally, in the fourth chapter, we analyze the results and we compare them with the goals we had at the beginning of this project. We also discuss possible future development in order to build a better tool and in order to make the tool available to the VMTK community. In fact, we are sure it could be interesting to have such a tool that anyone can use and develop: it could be a way to make VMTK more user-friendly. And it will inspire huge interest in the medical environment.

Lo scopo di questa tesi è quello di presentare lo sviluppo dell'interfaccia grafica VMTKGui da affiancare ad un software pre-esistente, the Vascular Modeling Toolkit (VMTK), per poter creare un tool in grado di processare un'immagine medica di tipo DICOM (DIgital COmmunication in Medicine) in modo da passare da essa a una ricostruzione tridimensionale della stessa che permetta di effettuare simulazioni numeriche su quello che è il flusso nei vasi. A questo scopo si sfruttano alcune funzioni offerte da un software open-source per l'analisi e visualizzazione di immagini (Visualization ToolKit, VTK). Lo scopo del tool che si intende realizzare è quello di poter ricostruire la geometria di una parte anatomica non banale (nello specifico il fine ultimo è quello di ricostruire la zona a cavallo della valvola mitrale, vale a dire ventricolo sinistro, valvola mitrale stessa e ultimo tratto di aorta ascendente) per poter successivamente fare un'analisi numerica del flusso in quell'area. Per la realizzazione dell'interfaccia grafica si utilizza il linguaggio Python: si è preferito andare in questa direzione dal momento che la totalità delle librerie VMTK ha un'interfaccia evoluta proprio in questo linguaggio. Il presente lavoro è così suddiviso: nel primo capitolo viene presentato il progetto nelle sue linee generali. Viene dunque dedicato ampio spazio a quello che è lo stato dell'arte di VMTK per quel che concerne la visualizzazione di immagini in campo medico; di seguito sono presentati gli obbiettivi che ci si è posti all'inizio del lavoro; nell'ultima sezione, invece, si dà ampio spazio alle applicazioni pratiche che potrebbero prendere piede a partire dal tool sviluppato per poi sottolineare l'importanza del lavoro svolto. Nel secondo capitolo si tratta della ricostruzione geometrica da un punto di vista teorico: si presentano, nella prima sezione, le possibili tecniche per ricostruire una certa geometria partendo da un'immagine in formato DICOM; nella seconda sezione sono presentati i dettagli del metodo di ricostruzione utilizzato in questo lavoro di tesi, vale a dire il Level Set Segmentation (LSS), individuando i vantaggi che questa tecnica presenta rispetto alle altre, mettendo in evidenza quali sono i motivi che ci hanno portato a una tale scelta. Nel terzo capitolo, invece, si è redatto un manuale per l'utente del software VMTKGui. Si presentano i vari passi per arrivare ad una ricostuzione della geometria desiderata su cui verrà poi eventualmente costruita una mesh. Per ogni step sono presentate le varie problematiche, il metodo di utilizzo del comando e, infine, l'applicazione dello stesso in un esempio pratico. Nel quarto ed ultimo capitolo c'è una prima sezione in cui si discute un'attenta analisi di quelli che sono stati i risultati ottenuti in rapporto agli obbiettivi che ci si era posti in partenza. Inoltre, nella sezione finale si offre una discussione relativa a possibili sviluppi futuri, al fine di migliorare e ultimare il tool realizzato rendendolo disponibile a tutti gli utilizzatori del software VMTK, sicuri del fatto che un tool con queste potenzialità possa suscitare interesse nell'ambito di simulazioni in campo medico.