Разработка высокоэффективных масштабируемых программ в задаче ультразвуковой томографии

Авторы

  • Вад.В. Воеводин
  • С.Л. Овчинников
  • С.Ю. Романов

Ключевые слова:

коэффициентные обратные задачи
волновое уравнение
ультразвуковая томография
параллельные вычисления
масштабируемость
суперкомпьютер

Аннотация

Статья посвящена разработке масштабируемых программ для суперкомпьютеров в обратной задаче ультразвуковой томографии в приложении к медицине. Задача рассмотрена в постановке нелинейной коэффициентной обратной задачи для волнового уравнения. Предложена структура программы, позволяющая эффективно распараллеливать вычисления на кластерных вычислительных системах. Проведена оптимизация кода, которая позволила ускорить работу программы на порядок, а также обеспечить высокую степень масштабируемости. Проведены многочисленные тестовые расчеты на вычислительных системах МГУ «Чебышев» и «Ломоносов». Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (госконтракт № 07.514.12.4024).

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2012-04-27

Выпуск

Том 13 (2012): Выпуск 2.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

Вад.В. Воеводин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• младший научный сотрудник

С.Л. Овчинников

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• электроник

С.Ю. Романов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• ведущий научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. Jicheck m racute m imathk R., Peterlacute m imathk I., Ruiter N., Fousek J., Dapp R., Zapf M., Jan J. Sound-speed image reconstruction in sparse-aperture 3D ultrasound transmission tomography // IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2012. 59, N 2. 254-264.
  2. Li C., Duric N., Littrup P., Huang L. In vivo breast soundspeed imaging with ultrasound tomography // Ultrasound Med. Biol. 2009. 35, N 10. 1615-1628.
  3. Backushinsky A., Goncharsky A., Romanov S., Seatzu S. On the identification of velocity in seismics and in acoustic sounding. Pubblicazioni dell’istituto di analisa globale e applicazioni. Serie «Problemi non ben posti ed inversi». Issue 71. Firenze, 1994.
  4. Бакушинский А.Б., Козлов А.И., Кокурин М.Ю. Об одной обратной задаче для трехмерного волнового уравнения // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 2003. 43, № 8. 1201-1209.
  5. Гончарский А.В., Овчинников С.Л., Романов С.Ю. Об одной задаче волновой диагностики // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 15. Вычисл. матем. и киберн. 2010. № 1. 7-13.
  6. Kokurin M.Y. Stable iteratively regularized gradient method for nonlinear irregular equations under large noise // Inverse Problems. 2006. 22, № 1. 197-208.
  7. Головина С.Г., Романов С.Ю., Степанов В.В. Об одной обратной задаче сейсмики // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 15. Вычисл. матем. и киберн. 1994. № 4. 16-21.
  8. Chavent G. Deux resultats sur le probleme inverse dans les equations aux derivees partielles du deuxieme ordre en tet sur l’unicite de la solution du probleme inverse de la diffusion // C. R. Acad. Sci. Paris. 1970. N 270. 25-28.
  9. Natterer F., Wubbeling F. A propagation-backpropagation method for ultrasound tomography // Inverse Problems. 1995. 11, № 6. 1225-1232.
  10. Beilina L., Klibanov M.V. Approximate global convergence and adaptivity for coefficient inverse problems. New York: Springer, 2012.
  11. Гончарский А.В., Романов С.Ю. О двух подходах к решению коэффициентных обратных задач для волновых уравнений // Журн. вычисл. матем. и матем. физики. 2012. 52, № 2. 1-7.
  12. Овчинников С.Л., Романов С.Ю. Организация параллельных вычислений при решении обратной задачи волновой диагностики // Вычислительные методы и программирование. 2008. 9, № 1. 338-345.
  13. Гончарский А.В., Романов С.Ю. Об одной задаче ультразвуковой томографии // Вычислительные методы и программирование. 2011. 12, № 1. 317-320.
  14. Гончарский А.В., Романов С.Ю. Суперкомпьютерные технологии в разработке методов решения обратных задач в УЗИ-томографии // Вычислительные методы и программирование. 2012. 13, № 1. 235-238.
  15. Описание суперкомпьютера «Ломоносов» (http://parallel.ru/cluster/lomonosov.html).
  16. Foster I. Designing and building parallel programs: concepts and tools for parallel software engineering. Reading: Addison Wesley, 1995.
  17. Описание средства профилировки mpiP (http://mpip.sourceforge.net/).
  18. Vetter J.S., McCracken M.O. Statistical scalability analysis of communication operations in distributed applications // Proc. of the 8th ACM SIGPLAN Symp. on Principles and Practice of Parallel Programming (PPOPP-2001). New York: ACM, 2001. 123-132.
  19. Антонов А.С. Параллельное программирование с использованием технологии MPI. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004.