Rendering baseado em amostragem de BRDF de órgaos vivos por videolaparoscopia

Abstract

Cirurgias minimamente invasivas correspondem a uma importante especialidade da Medicina, cuja aplicação em larga escala depende do treinamento de novos cirurgiões em habilidades específicas que podem ser aprimoradas através do uso de simuladores virtuais de cirurgia. Entretanto, tais aplicações demandam alta qualidade visual das simulações de órgãos internos, que idealmente podem ser realizadas com base em aproximações de mais alta ordem da interação luz-matéria. Trabalhos recentes têm proposto abordagens híbridas onde dados da BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function - Função de Distribuição de Reflectância Bidirecional) de órgãos vivos têm sido amostrados ou estimados, para orientar técnicas de rendering em tempo real. O presente trabalho propõe um pipeline para o rendering de estruturas orgânicas baseado em Física visando a simulação de cirurgia compatível com alto nível de aproximação da interação luz-matéria. Através de um novo método de amostragem da BRDF de órgãos vivos por meio de laparoscopias convencionais, e do estudo de formas de representação para os dados amostrados, imagens de órgãos humanos são geradas em sistemas de rendering de tempo real e sistemas baseados em algoritmos de iluminação global. A metodologia proposta foi aplicada em um experimento realizado através de uma Colecistectomia, cujos importantes resultados caracterizam-se pela cobertura de aproximadamente 22% da BRDF de um fígado humano vivo, configurando assim uma contribuição singular para técnicas de amostram de BRDF de órgãos e rendering de órgãos baseado em Física.

Minimally invasive surgeries are an important specialty of Medicine. Virtual simulators allow the development of the needed skills for new surgeons. Such simulators demand high visual quality of the internal organs that ideally can be performed based on higher-order approximations of the light-material interaction. Recent work proposes hybrid approaches where the BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) data for living organs was sampling or estimated to guide real-time rendering techniques. This work proposes a pipeline for physically-based rendering of organic structures with the goal of surgery simulations with a high level of approximation for the light-material interaction. We present a new sampling method for measuring BRDFs for living organs based on conventional laparoscopy. With this data we are able to render human organs in real-time and also improve global illumination results. The methodology was applied in an experiment performed through a Cholecystectomy. Our results achieved a high BRDF coverage of 22% for a living human liver, establishing a singular contribution for the sampling of BRDF in-vivo organs and physically-based rendering.