Создан томограф реального времени на "Эльбрусах" и отечественном ПО

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 рентгенографияНеинвазивная 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 РАНКак 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 EngineДля 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 тестировалосьИспытания 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 Windows, Apple macOS и различных дистрибутивов Linux, 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 тестированияАнализ 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).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 рассказал 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.

Также по теме: