Original title:
Akcelerace ultrazvukových simulací pro axisymetrické medium
Translated title:
Acceleration of Axisymetric Ultrasound Simulations
Authors:
Kukliš, Filip ; Vaverka, Filip (referee) ; Jaroš, Jiří (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2018
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií Abstract:
[eng][cze]
Simulácia šírenia ultrazvuku prostredníctvom mäkkých biologických tkanív má širokú škálu praktických aplikácií. Patria sem dizajn prevodníkov pre diagnostický a terapeutický ultrazvuk, vývoj nových metód spracovania signálov a zobrazovacích techník, štúdium anomálií ultrazvukových lúčov v heterogénnych médiách, ultrazvuková klasifikácia tkanív, učenie rádiológov používať ultrazvukové zariadenia a interpretáciu ultrazvukových obrazov, modelové vrstvenie medicínskeho obrazu a plánovanie liečby pre ultrazvuk s vysokou intenzitou. Ultrazvuková simulácia však predstavuje výpočtovo zložitý problém, pretože simulačné domény sú veľmi veľké v porovnaní s akustickými vlnovými dĺžkami, ktoré sú predmetom záujmu. Ale ak je problém osovo symetrický, problém môže byť riešený v 2D.To umožňuje spúšťanie simulácií na mriežke s väčším počtom bodov, s menším využitím výpoč- tových zdrojov za kratšiu dobu. Táto práca modeluje a implementuje zrýchlenie vlnovej nelineárnej ultrazvukovej simulácie v axisymetrickom súradnicovom systéme realizovanom v Matlabe pomocou Mex súborov pre diskrétne sínové a kosínové transformácie. Axisymetrická simulácia bola implementovaná v C++ ako open source rozšírenie K-WAVE toolboxu. Kód je optimalizovaný na beh na jednom uzle superpočítaču Salomon (IT4Innovations, Ostrava, Česká republika) s dvoma dvanásť-jadrovými procesormi Intel Xeon E5-2680v3. Na maximalizáciu výpočtovej efektívnosti boli vykonané viaceré optimalizácie kódu. Po prvé, fourierové tramsformácie boli vypočítané pomocou real-to-complex FFT z knižnice FFTW. V porovnaní s complex-to-complex FFT to znížilo čas výpočtu a pamäť spojenú s výpočtom FFT o takmer 50%. Taktiež diskrétne sínové a kosínové transformácie sa počítali pomocou knižnice FFTW, ktoré v Matlab verzii museli byť vyvolané z dynamicky načítaných MEX súborov. Po druhé, aby sa znížilo zaťaženie priepustnosti pamäte, boli všetky operácie počítané jednoduchej presnosti pohyblivej rádovej čiarky. Po tretie, elementárne operá- cie boli paralelizované pomocou OpenMP a potom vektorizované pomocou rozšírení SIMD (SSE). Celkový výpočet C++ verzie je až do 34-násobne rýchlejší a využíva menej ako tretinu pamäte ako Matlab verzia simulácie. Simulácia ktorá by trvala takmer dva dni tak môže byť vypočítaná za jeden a pol hodinu. Toto všetko umožňuje počítať simuláciu na výpočetnej mriežke s veľkosťou 16384 × 8192 bodov v primeranom čase.
The simulation of ultrasound propagation through soft biological tissue has a wide range of practical applications. These include the design of transducers for diagnostic and therapeutic ultrasound, the development of new signal processing and imaging techniques, studying the aberration of ultrasound beams in heterogeneous media, ultrasonic tissue classification, training ultrasonographers to use ultrasound equipment and interpret ultrasound images, model-based medical image registration, and treatment planning and dosimetry for high-intensity focused ultrasound. However, ultrasound simulation presents a computationally difficult problem, as simulation domains are very large compared with the acoustic wavelengths of interest. But if the problem is axisymmetric, the governing equations can also be solved in 2D. This allows running simulations with larger grid size, with less computational resources and in a shorter time. This paper model and implements an acceleration of the Full-wave Nonlinear Ultrasound Simulation in an Axisymmetric Coordinate System implemented in Matlab using Mex Files for FFTW DST and DCT transformations. The axisymmetric simulation was implemented in C++ as an extension to the open source K-WAVE toolbox. The codes were optimized to run using one node of Salomon supercomputer cluster (IT4Innovations, Ostrava, Czechia) with two twelve-core Intel Xeon E5-2680v3 processors. To maximize computational efficiency, several stages of code optimization were performed. First, the FFTs were computed using the real-to-complex FFT from the FFTW library. Compared to the complex-to-complex FFT, this reduced the compute time and memory associated with the FFT by nearly 50%. Also, real-to-real DCTs and DSTs were computed using FFTW library, which ones in Matlab version, had to be invoked from dynamically loaded MEX Files. Second, to save memory bandwidth, all operations were computed in single precision. Third, element-wise operations were parallelized using OpenMP and then optimized using streaming SIMD extensions (SSE). The overall computation of the C++ k-space model is up to 34-times faster and uses less than one-third of the memory than Matlab version. The simulation which would take nearly two days by Matlab implementation can be now computed in one and half hour. This all allows running the simulation on the computational grid with 16384 × 8192 grid points within a reasonable time.
Keywords:
k-Wave; osovo súmerná simulácia šírenia ultrazvuku; paralelné výpočty; Vysoko-výkonné výpočty; axisymmetric ultrasound propagation simulation; High Performance Computing; k-Wave; parallel computing
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/84985
guest ::
