Processamento Baseado em Unidades de Processamento Gráficas (GPU) para Cálculo de Parâmetros Físicos e Geométricos do Tecido Ósseo Trabecular a partir de Dados de Micro Tomografia

Abstract

A modelagem numérica de estruturas biológicas como ossos e dentes representa um desafio científico na área de simulações de estruturas, devido à dificuldade em se obter amostras para ensaios laboratoriais, como é o caso do estudo do remodelamento ósseo e fenômenos relacionados. Porém, dados de tomografia podem ser usados para estimar parâmetros usados no ajuste de modelos teóricos conhecidos de outras áreas da engenharia adaptando-os para a bioengenharia. Uma das dificuldades, nesse caso, ocorre devido à demanda de processamento computacional para tratar grandes volumes de dados tridimensionais. Por outro lado, dispõe-se hoje, de um alto poder de processamento, massivamente paralelo fornecido pelas unidades de processamento gráficas (GPU), modernas. Isso permite a realização de análises complexas em uma fração do tempo demandado pelas CPUs. Neste trabalho, é relatada uma experiência de processamento de dados de micro tomografia utilizando a GPU. Os algoritmos desenvolvidos têm como objetivo a obtenção dos parâmetros como volume de osso e vazios, densidade aparente e do pixel, grau de anisotropia, direções anisotrópicas e dimensão fractal tridimensional. Todo desenvolvimento foi feito utilizando um conjunto de ferramentas de distribuição livre, algumas de código aberto, tanto para o processamento como para a visualização dos dados. Dentre essas ferramentas utilizadas estão o Visualization Toolkit (VTK) e arquitetura de computação paralela nVidia CUDA. Além da descrição detalhada do ambiente de desenvolvimento utilizado, são discutidos aspectos práticos da implementação e do desempenho no processamento computacional obtido, apresentando-se os principais benefícios e dificuldades encontradas, bem como, as soluções propostas.