Оффлайн
- Регистрация
- 21.07.20
- Сообщения
- 40.408
- Реакции
- 1
- Репутация
- 0
Создан томограф реального времени на «Эльбрусах» и отечественном ПО. Видео
08.10.2020, Чт, 14:15, Мск , Текст: Владимир Бахур
Первые тестирования ПО Smart Tomo Engine для томографической реконструкции на системе с «Эльбрус-СВ» показали, что сочетания отечественного процессора и ПО уже на ранних стадиях разработки более чем достаточно для томографии в реальном времени.
Полностью российская разработка
Как рассказали CNews в российской компании Smart Engines, разработанный ими программный комплекс Smart Tomo Engine для реконструкции рентгеновских томографических снимков в режиме реального времени принял участие в сравнительном тестировании, которое проводилось на системах с различными российскими процессорами семейства «Эльбрус» компании «МЦСТ», включая новейший «Эльбрус-8СВ», и современными чипами AMD с архитектурой x86-64.
Как показали итоги тестирования, отечественные процессоры обладают достаточной производительностью для того, чтобы решать томографические задачи в режиме реального времени. Результаты тестирования также подтвердили, что полностью отечественная технология Smart Tomo Engine российской компании Smart Engines подходит для использования в составе программно-аппаратных комплексов на платформе «Эльбрус» для медицинских и промышленных сканеров всех поколений, а также для новейших нано-томографов субмикронного разрешения и синхротронных центров.
«В соответствии с Европейской классификацией готовности технологий его можно оценить как TRL7, – сказал Владимир Арлазаров, к.т.н., генеральный директор Smart Engines. – Это означает, что наша система показала работоспособность и эффективность в связке с реальным томографом, находящимся в эксплуатации, на серийном вычислителе. Разработанное нами программное обеспечение – это готовый к внедрению продукт, который может быть интегрирован как на стадии разработки принципиально новых томографов, так и адаптирован к уже существующем в эксплуатации образцам».
Современная томографическая рентгенография
Неинвазивная диагностика на основе компьютерной томографической рентгенографии (КТ) позволяет сформировать изображение формы и внутренней структуры живых и неживых объектов с помощью рентгеновского излучения. Для формирования объемной структуры снимка при рентгеновской КТ используются рентгенограммы, снятые под разными углами. Набор проекций проходит специальную обработку – реконструкцию, за счет которой воссоздается внутренняя морфологическая структура объекта.
Экспериментальный микротомограф ФНИЦ КФ РАН
Как пояснили CNews в Smart Engines, программная платформа Smart Tomo Engine обеспечивает реконструкцию трехмерного цифрового изображения объекта по набору его трансмиссионных томографических изображений в рентгеновском диапазоне.
Платформа выполнена на базе специальной библиотеки томографической реконструкции, которая через API обеспечивает функции чтения томографических проекций, непосредственно томографическую реконструкцию с применением одного из трех алгоритмов, а также сохранение результатов в медицинском формате DICOM или распространенном PNG. ПО также включает графический интерфейс для двухмерной визуализации томографических изображений и результатов реконструкции.
Графический интерфейс Smart Tomo Engine
Для послойной двумерной реконструкции используется классический алгоритм FBP (Filtered Back Projection) с обратным проецированием и линейной фильтрацией, частотный DFR (Direct Fourier Reconstruction) с применением быстрого преобразования Фурье для фильтрации и обратного проецирования, а также отечественный HFBP (Hough FBP), где для обратного проецирования используется алгоритм Брейди быстрого вычисления преобразования Хафа, а для ускорения линейной фильтрации применяется метод Дериша.
Как пояснили CNews в Smart Engines, потребность в аппаратах для компьютерной томографической рентгенографии очень высока. В настоящее время в России установлено порядка 2000 медицинских установок КТ, что значительно меньше в пересчете на одного пациента в мировом масштабе, при этом количество поставок составляет около 100 аппаратов ежегодно и объемы сокращаются в условиях ограничений.
Что касается спроса на промышленные аппараты компьютерной томографической рентгенографии, речь может идти о десятках тысяч, так как применение таких систем многократно выросло как в области неразрушающего контроля изделий в промышленности, так и в области транспортной безопасности (досмотровые комплексы на транспорте, таможне и т.д.).
По поводу конкурентоспособности разработки Smart Engines на мировом рынке в компании пояснили CNews следующее. Каждый производитель томографов использует то или иное ПО для реконструкции изображений, и в этом месте существует B2B рынок. Преимущества разработки Smart Engines заключаются в более высокой скорости работы за счет принципиально новых высокопроизводительных алгоритмов, увеличении реального разрешения получаемых изображений за счет более точных моделей формирования сигнала, а также возможности снижения дозы за счет применения методики контролируемой реконструкции (monitored reconstruction). Снижение лучевой нагрузки на пациента в условиях многократных КТ, необходимых при контроле состояния внутренних органов -— это очень важный фактор, особенно в условиях пандемии, подчеркнули в компании.
Стратегия Smart Engines пока не включает планы по выводу этого ПО на внешние рынки: в актуальных условиях необходимо выводить на рынок ПО в составе программно-аппаратного комплекса, рассказали CNews в компании.
«Мы демонстрируем в нашем случае, что созданный нами программный комплекс способен работать не только на популярных распространенных вычислительных платформах, но и на системах российского производства, при этом демонстрируя высокое качество и скорость работы, достаточное для проведения исследований, — отметил Владимир Арлазаров. — Для нашей страны это важно прежде всего тем, что дает возможность создания полностью отечественного программно-аппаратного комплекса КТ внутри России. Впрочем, по академической лицензии мы также планируем поставлять свое ПО в ведущие мировые синхротронные центры».
Как и что тестировалось
Испытания отечественного ПО Smart Tomo Engine проводилось сотрудниками компании Smart Engines в сотрудничестве с учеными из институтов Российской академии наук (ИППИ РАН и ФИЦ ИУ РАН) и инженерами компании «МЦСТ», производителя процессоров «Эльбрус».
ПО Smart Tomo Engine работает в системах под управлением российской ОС «Эльбрус», Microsoft
Тестовая реконструкция производилась на синтетических данных и реальных изображениях, полученных при съемке майского жука на микротомографе ФНИЦ КФ РАН. Синтетический датасет «Шепп-Логан 3D» получен методом математического моделирования с использованием веерной схемы и послойным расчетом проекции от трехмерного фантома Шеппа-Логана. Размер проекции составил 511х51 пикселей.
Объемная рентгенограмма майского жука
Реальные томографические данные датасета «Майский жук» собраны на микротомографе ФНИЦ КФ РАН. Размер пикселя использованного детектора составил 9 микрон, в качестве образца использовался высушенный майский жук. Размер проекции составил 1175х1175 пикселей.
Замеры скорости выполнения алгоритмов реконструкции проводились в однопоточном (1П) и многопоточном (МП) режимах на пяти вычислительных системах: рабочей станции «Эльбрус-401» (процессор «Эльбрус-4С»), сервере «Эльбрус-804» с четырьмя процессорами «Эльбрус-8С», рабочей станции «Эльбрус-801СВ» с новейшим процессором «Эльбрус-8СВ», а также системами на процессорах AMD Ryzen 7 2700 и AMD Ryzen Threadripper 3970X.
Новейший процессор «Эльбрус-8СВ» интересен наличием восьми ядер с частотой 1,5 ГГц, поддержкой оперативной памяти DDR4-2400 (впервые для процессоров «МЦСТ»), а также двое увеличенным числом ALU.
Процессор «Эльбрус-8СВ»
«Эльбрус-8СВ лучше работает с невыровненными данными, и в нем масса других небольших улучшений по сравнению с Эльбрус-8С», – сказал Константин Трушкин, заместитель генерального директора по маркетингу «МЦСТ».
Итоги тестирования
Анализ результатов показал, что многопоточном режиме 4-процессорный сервер «Эльбрус-804» затратил 19 секунд на реконструкцию 511 слоев фантома с алгоритмом HFBP (0,037 с на каждый слой), послойная частота составила 26,8 слоев в секунду (26,8 ips), что по факту означает проведение реконструкции практически в режиме реального времени. Реконструкция 1261 слоя датасета «Майский жук» заняла в многопоточном режиме 189 с (6,7 ips).
Замеры времени работы Smart Tomo Engine с разными процессорами
Проведение реконструкции с использованием российской платформы, удовлетворяет требованиям по скорости, предъявляемым в кардиологии, где основным реперным параметром является период сокращения сердца, который в среднем составляет одну секунду, пояснили CNews в Smart Engines.
При работе с алгоритмом FBP отставание «Эльбрусов» умеренное, при нормировании относительно тактовой частоты результаты схожие, но с алгоритмами DFR и HFBP отставание «Эльбрусов» больше.
В Smart Engines в связи с этим заявили, что ПО Smart Tomo Engine пока что недостаточно оптимизировано под платформу «Эльбрус». На оптимизацию софта под платформу x86-64 было потрачено пять лет, под «Эльбрусы», особенно под новейший «Эльбрусы-8СВ», процесс оптимизации большей части программ и алгоритмов лишь начался, и это процесс займет примерно два человекомесяца, заявили в компании.
В ближайшее время в компании планируют оптимизировать вычисления под 128-битное SIMD-распараллеливание процессоров «Эльбрус-8СВ» и ускорить работу платформы с алгоритмом HFBP – как минимум, в несколько раз.
Ранее, в сентябре 2020 г. CNews также
You must be registered for see links
You must be registered for see links
You must be registered for see links
You must be registered for see links
08.10.2020, Чт, 14:15, Мск , Текст: Владимир Бахур
Первые тестирования ПО Smart Tomo Engine для томографической реконструкции на системе с «Эльбрус-СВ» показали, что сочетания отечественного процессора и ПО уже на ранних стадиях разработки более чем достаточно для томографии в реальном времени.
Полностью российская разработка
Как рассказали CNews в российской компании Smart Engines, разработанный ими программный комплекс Smart Tomo Engine для реконструкции рентгеновских томографических снимков в режиме реального времени принял участие в сравнительном тестировании, которое проводилось на системах с различными российскими процессорами семейства «Эльбрус» компании «МЦСТ», включая новейший «Эльбрус-8СВ», и современными чипами AMD с архитектурой x86-64.
Как показали итоги тестирования, отечественные процессоры обладают достаточной производительностью для того, чтобы решать томографические задачи в режиме реального времени. Результаты тестирования также подтвердили, что полностью отечественная технология Smart Tomo Engine российской компании Smart Engines подходит для использования в составе программно-аппаратных комплексов на платформе «Эльбрус» для медицинских и промышленных сканеров всех поколений, а также для новейших нано-томографов субмикронного разрешения и синхротронных центров.
«В соответствии с Европейской классификацией готовности технологий его можно оценить как TRL7, – сказал Владимир Арлазаров, к.т.н., генеральный директор Smart Engines. – Это означает, что наша система показала работоспособность и эффективность в связке с реальным томографом, находящимся в эксплуатации, на серийном вычислителе. Разработанное нами программное обеспечение – это готовый к внедрению продукт, который может быть интегрирован как на стадии разработки принципиально новых томографов, так и адаптирован к уже существующем в эксплуатации образцам».
Современная томографическая рентгенография
Неинвазивная диагностика на основе компьютерной томографической рентгенографии (КТ) позволяет сформировать изображение формы и внутренней структуры живых и неживых объектов с помощью рентгеновского излучения. Для формирования объемной структуры снимка при рентгеновской КТ используются рентгенограммы, снятые под разными углами. Набор проекций проходит специальную обработку – реконструкцию, за счет которой воссоздается внутренняя морфологическая структура объекта.
Экспериментальный микротомограф ФНИЦ КФ РАН
Как пояснили CNews в Smart Engines, программная платформа Smart Tomo Engine обеспечивает реконструкцию трехмерного цифрового изображения объекта по набору его трансмиссионных томографических изображений в рентгеновском диапазоне.
Платформа выполнена на базе специальной библиотеки томографической реконструкции, которая через API обеспечивает функции чтения томографических проекций, непосредственно томографическую реконструкцию с применением одного из трех алгоритмов, а также сохранение результатов в медицинском формате DICOM или распространенном PNG. ПО также включает графический интерфейс для двухмерной визуализации томографических изображений и результатов реконструкции.
Графический интерфейс Smart Tomo Engine
Для послойной двумерной реконструкции используется классический алгоритм FBP (Filtered Back Projection) с обратным проецированием и линейной фильтрацией, частотный DFR (Direct Fourier Reconstruction) с применением быстрого преобразования Фурье для фильтрации и обратного проецирования, а также отечественный HFBP (Hough FBP), где для обратного проецирования используется алгоритм Брейди быстрого вычисления преобразования Хафа, а для ускорения линейной фильтрации применяется метод Дериша.
Как пояснили CNews в Smart Engines, потребность в аппаратах для компьютерной томографической рентгенографии очень высока. В настоящее время в России установлено порядка 2000 медицинских установок КТ, что значительно меньше в пересчете на одного пациента в мировом масштабе, при этом количество поставок составляет около 100 аппаратов ежегодно и объемы сокращаются в условиях ограничений.
Что касается спроса на промышленные аппараты компьютерной томографической рентгенографии, речь может идти о десятках тысяч, так как применение таких систем многократно выросло как в области неразрушающего контроля изделий в промышленности, так и в области транспортной безопасности (досмотровые комплексы на транспорте, таможне и т.д.).
По поводу конкурентоспособности разработки Smart Engines на мировом рынке в компании пояснили CNews следующее. Каждый производитель томографов использует то или иное ПО для реконструкции изображений, и в этом месте существует B2B рынок. Преимущества разработки Smart Engines заключаются в более высокой скорости работы за счет принципиально новых высокопроизводительных алгоритмов, увеличении реального разрешения получаемых изображений за счет более точных моделей формирования сигнала, а также возможности снижения дозы за счет применения методики контролируемой реконструкции (monitored reconstruction). Снижение лучевой нагрузки на пациента в условиях многократных КТ, необходимых при контроле состояния внутренних органов -— это очень важный фактор, особенно в условиях пандемии, подчеркнули в компании.
Стратегия Smart Engines пока не включает планы по выводу этого ПО на внешние рынки: в актуальных условиях необходимо выводить на рынок ПО в составе программно-аппаратного комплекса, рассказали CNews в компании.
«Мы демонстрируем в нашем случае, что созданный нами программный комплекс способен работать не только на популярных распространенных вычислительных платформах, но и на системах российского производства, при этом демонстрируя высокое качество и скорость работы, достаточное для проведения исследований, — отметил Владимир Арлазаров. — Для нашей страны это важно прежде всего тем, что дает возможность создания полностью отечественного программно-аппаратного комплекса КТ внутри России. Впрочем, по академической лицензии мы также планируем поставлять свое ПО в ведущие мировые синхротронные центры».
Как и что тестировалось
Испытания отечественного ПО Smart Tomo Engine проводилось сотрудниками компании Smart Engines в сотрудничестве с учеными из институтов Российской академии наук (ИППИ РАН и ФИЦ ИУ РАН) и инженерами компании «МЦСТ», производителя процессоров «Эльбрус».
ПО Smart Tomo Engine работает в системах под управлением российской ОС «Эльбрус», Microsoft
You must be registered for see links
, Apple macOS и различных дистрибутивов
You must be registered for see links
, а также совместимо с различными процессорными архитектурами, включая VLIW-архитектуру «Эльбрус» и x86-архитектуру x86-64.Тестовая реконструкция производилась на синтетических данных и реальных изображениях, полученных при съемке майского жука на микротомографе ФНИЦ КФ РАН. Синтетический датасет «Шепп-Логан 3D» получен методом математического моделирования с использованием веерной схемы и послойным расчетом проекции от трехмерного фантома Шеппа-Логана. Размер проекции составил 511х51 пикселей.
Объемная рентгенограмма майского жука
Реальные томографические данные датасета «Майский жук» собраны на микротомографе ФНИЦ КФ РАН. Размер пикселя использованного детектора составил 9 микрон, в качестве образца использовался высушенный майский жук. Размер проекции составил 1175х1175 пикселей.
Замеры скорости выполнения алгоритмов реконструкции проводились в однопоточном (1П) и многопоточном (МП) режимах на пяти вычислительных системах: рабочей станции «Эльбрус-401» (процессор «Эльбрус-4С»), сервере «Эльбрус-804» с четырьмя процессорами «Эльбрус-8С», рабочей станции «Эльбрус-801СВ» с новейшим процессором «Эльбрус-8СВ», а также системами на процессорах AMD Ryzen 7 2700 и AMD Ryzen Threadripper 3970X.
Новейший процессор «Эльбрус-8СВ» интересен наличием восьми ядер с частотой 1,5 ГГц, поддержкой оперативной памяти DDR4-2400 (впервые для процессоров «МЦСТ»), а также двое увеличенным числом ALU.
Процессор «Эльбрус-8СВ»
«Эльбрус-8СВ лучше работает с невыровненными данными, и в нем масса других небольших улучшений по сравнению с Эльбрус-8С», – сказал Константин Трушкин, заместитель генерального директора по маркетингу «МЦСТ».
Итоги тестирования
Анализ результатов показал, что многопоточном режиме 4-процессорный сервер «Эльбрус-804» затратил 19 секунд на реконструкцию 511 слоев фантома с алгоритмом HFBP (0,037 с на каждый слой), послойная частота составила 26,8 слоев в секунду (26,8 ips), что по факту означает проведение реконструкции практически в режиме реального времени. Реконструкция 1261 слоя датасета «Майский жук» заняла в многопоточном режиме 189 с (6,7 ips).
Замеры времени работы Smart Tomo Engine с разными процессорами
Проведение реконструкции с использованием российской платформы, удовлетворяет требованиям по скорости, предъявляемым в кардиологии, где основным реперным параметром является период сокращения сердца, который в среднем составляет одну секунду, пояснили CNews в Smart Engines.
При работе с алгоритмом FBP отставание «Эльбрусов» умеренное, при нормировании относительно тактовой частоты результаты схожие, но с алгоритмами DFR и HFBP отставание «Эльбрусов» больше.
В Smart Engines в связи с этим заявили, что ПО Smart Tomo Engine пока что недостаточно оптимизировано под платформу «Эльбрус». На оптимизацию софта под платформу x86-64 было потрачено пять лет, под «Эльбрусы», особенно под новейший «Эльбрусы-8СВ», процесс оптимизации большей части программ и алгоритмов лишь начался, и это процесс займет примерно два человекомесяца, заявили в компании.
В ближайшее время в компании планируют оптимизировать вычисления под 128-битное SIMD-распараллеливание процессоров «Эльбрус-8СВ» и ускорить работу платформы с алгоритмом HFBP – как минимум, в несколько раз.
Ранее, в сентябре 2020 г. CNews также
You must be registered for see links
об итогах сравнительного тестирования систем хранения данных (СХД) на процессорах «Эльбрус» и Intel, проведенного компанией «Аэродиск». Несмотря на то, что в этом тестировании новейшие процессоры «Эльбрус 8СВ» еще не использовались, в ряде тестов производительность российских процессоров оказалась сопоставима с зарубежными решениями, а в некоторых из них СХД на «Эльбрусах» смогли даже удивить.-
You must be registered for see links
-
You must be registered for see links
-
You must be registered for see links