Web-based Stereoscopic Collaboration for Medical Visualization

Kaspar, Mathias

by Mathias Kaspar

Doctoral thesis

Date of Examination:2013-08-23

Date of issue:2013-09-26

Advisor:Prof. Dr. Otto Rienhoff

Referee:Prof. Dr. Otto Rienhoff

Referee:Prof. Dr. Xiaoming Fu

Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-4059

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Name:thesis_mathias_kaspar_03-07-2013_final_webopt.pdf

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Abstract

English

Medical volume visualization is a valuable tool in medical practice and education to virtually explore volume data of the human body. Real-time interaction, stereoscopic presentation, and collaboration are required for its full comprehension in all its three dimensional complexity. Such visualization of high-resolution data, however, is due to its high hardware demand almost only available on special imaging workstations. Whereas remote visualization systems are used to provide such visualization at peripheral locations, they still require complex software deploy- ments. Since these are barriers for an universal and ad-hoc availability, the following hypothesis arose: A high performing remote visualization system, specialized for stereoscopy and ease of use, can provide access to real-time interactive, stereoscopic, and collaborative medical volume visualization. The most recent work about remote visualization utilizes pure web browsers, but without empha- sizing high performing usability by any participant nor essential functionalities to support various stereoscopic display systems. The web browsers familiarity, their ease of use, and wide availability led to following main research question: Can we evoke a solution that fulfills all aspects by only using a pure standard web browser at the client side? A proof of concept was conducted to verify the hypothesis, including a prototype development, its practical application, its performance measurement, and comparison. The resulting prototype system (CoWebViz) is one of the first web browser based systems without added software that provides fluid interactive remote visualization in real-time. Performance tests and comparisons show the superiority of the approach to the tested existing applications, including a native application. Its support of various stereoscopic display systems, which are simultaneously usable in a single collaborative visualization session is currently unique via such a lightweight client. Its usage for an usually resource intensive stereoscopic and collaborative setup for anatomy teaching shared with inter-continental participants shows the approach’s feasibility and simplifying character. The feasibility of the approach has also been shown by its further successful usage in high-performance computing, and in surgery.

Keywords: Three-Dimensional Medical Imaging; Distributed System; Real-time Collaboration; Stereoscopy; Bandwidth Optimization

Other Languages

Medizinische Volumenvisualisierung ist ein wertvolles Werkzeug zur Betrachtung von Volumen- daten in der medizinischen Praxis und Lehre. Eine interaktive, stereoskopische und kollaborative Darstellung in Echtzeit ist notwendig, um die Daten vollständig und im Detail verstehen zu können. Solche Visualisierung von hochauflösenden Daten ist jedoch wegen hoher Hardware- Anforderungen fast nur an speziellen Visualisierungssystemen möglich. Remote-Visualisierung wird verwendet, um solche Visualisierung peripher nutzen zu können. Dies benötigt jedoch fast immer komplexe Software-Deployments, wodurch eine universelle ad-hoc Nutzbarkeit erschwert wird. Aus diesem Sachverhalt ergibt sich folgende Hypothese: Ein hoch performantes Remote- Visualisierungssystem, welches für Stereoskopie und einfache Benutzbarkeit spezialisiert ist, kann für interaktive, stereoskopische und kollaborative medizinische Volumenvisualisierung genutzt werden. Die neueste Literatur über Remote-Visualisierung beschreibt Anwendungen, welche nur reine Webbrowser benötigen. Allerdings wird bei diesen kein besonderer Schwerpunkt auf die perfor- mante Nutzbarkeit von jedem Teilnehmer gesetzt, noch die notwendige Funktion bereitgestellt, um mehrere stereoskopische Präsentationssysteme zu bedienen. Durch die Bekanntheit von Web- browsern, deren einfach Nutzbarkeit und weite Verbreitung hat sich folgende spezifische Frage ergeben: Können wir ein System entwickeln, welches alle Aspekte unterstützt, aber nur einen reinen Webbrowser ohne zusätzliche Software als Client benötigt? Ein Proof of Concept wurde durchgeführt um die Hypothese zu verifizieren. Dazu gehörte eine Prototyp-Entwicklung, deren praktische Anwendung, deren Performanzmessung und -vergleich. Der resultierende Prototyp (CoWebViz) ist eines der ersten Webbrowser basierten Systeme, welches flüssige und interaktive Remote-Visualisierung in Realzeit und ohne zusätzliche Soft- ware ermöglicht. Tests und Vergleiche zeigen, dass der Ansatz eine bessere Performanz hat als andere ähnliche getestete Systeme. Die simultane Nutzung verschiedener stereoskopischer Präsen- tationssysteme mit so einem einfachen Remote-Visualisierungssystem ist zur Zeit einzigartig. Die Nutzung für die normalerweise sehr ressourcen-intensive stereoskopische und kollaborative Anatomieausbildung, gemeinsam mit interkontinentalen Teilnehmern, zeigt die Machbarkeit und den vereinfachenden Charakter des Ansatzes. Die Machbarkeit des Ansatzes wurde auch durch die erfolgreiche Nutzung für andere Anwendungsfälle gezeigt, wie z.B. im Grid-computing und in der Chirurgie.

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