Smart Engines и РАН: Программный комплекс для реконструкции рентгеновских томографических снимков

Основная статья: Компьютерная томография

2020: Анонс программного комплекса для реконструкции рентгеновских томографических снимков

8 октября 2020 года стало известно о том, что коллаборацией российских ученых из компании-разработчика систем распознавания Smart Engines и институтов Российской академии наук разработан отечественный программный комплекс для проведения реконструкции рентгеновских томографических снимков в режиме реального времени. Апробация проведена на гражданских процессорах производства российской компании МЦСТ, в том числе отечественного процессора «Эльбрус-8СВ». Полученные результаты показывают, что процессоры отечественной разработки обладают достаточной производительностью для решения томографических задач в режиме реального времени. Создание полностью отечественного программно-аппаратного комплекса призвано решить проблему замещения зарубежных продуктов при разработке российских промышленных и медицинских томографов.

Рис: пример синограммы грудной клетки (слева); результат КТ — сечение 3D изображения (справа).

Как пояснялось, компьютерная томографическая рентгенография – на октябрь 2020 года широко используемый метод неинвазивной диагностики, основанный на формировании изображения формы и внутренней структуры объекта с помощью рентгеновского излучения. Томографическим исследованиям подвергаются объекты живой и неживой природы, для медицинской диагностики или проведения научных исследований материалов. При рентгеновской КТ конечный набор изображений формируется из набора рентгенограмм, снятых под разными углами. После сбора полного набора проекций, начинается их обработка – реконструкция, цель которой – восстановление внутренней морфологической структуры объекта.

В медицинских исследованиях гентри (подвижное устройство, содержащее систему детекторов и рентгеновских излучателей) вращается вокруг неподвижного пациента. Пространственное разрешение в таких томографах достигает 0.2-0.5 мм. Результаты КТ сохраняются в формате DICOM – медицинском отраслевом стандарте, разработанном для создания, хранения, передачи цифровых медицинских изображений и сопутствующих документов обследованного пациента. Для научных исследований in vitro в лабораторных условиях, применяется другая экспериментальная схема – источник и детектор неподвижны, а набор рентгенограмм получают, вращая образец.Метавселенная ВДНХ 3.3 т

Российские разработчики научно-исследовательской компании Smart Engines, в коллаборации с учеными из институтов Российской академии наук (ИППИ РАН и ФИЦ ИУ РАН) и инженерами производителя процессоров «Эльбрус» АО «МЦСТ» провели испытания отечественного программного обеспечения, предназначенного для реконструкции рентгеновских изображений, получаемых в ходе томографических исследований.

В основе разработки лежит алгоритм быстрого хафовского обратного проецирования (HFBP), стабильно обгоняющий по производительности – алгоритм прямой Фурье-реконструкции (Direct Fourier Reconstruction – DFR). Отличительная особенность представленного программного обеспечения – поддержка российской операционной системы Эльбрус наряду с распространенными MS Windows, macOS, а также различных дистрибутивов Linux, и возможность работы на процессорных архитектурах Эльбрус, x86, x86_64.

Будучи полностью отечественной разработкой, в составе программно-аппаратного комплекса на платформе «Эльбрус» технология Smart Tomo Engine подходит для медицинских и промышленных сканеров всех поколений, для нано-томографов субмикронного разрешения, а также для синхротронных центров.

Демонстрационная реконструкция проводилась на синтетических данных, имитирующих снимки стоматологических томографов, и реальных изображениях, полученных при съемке майского жука на микротомографе ФНИЦ КФ РАН. Проведены замеры скорости выполнения реализованных алгоритмов реконструкции на 5 рабочих станциях: Эльбрусе-401, Эльбрусе-804, Эльбрусе-801СВ (разработка и производство АО «МЦСТ»), AMD Ryzen 7 2700 и AMD Ryzen Threadripper 3970X.

Таблица. Замеры времени работы программы при реконструкции майского жука, сек.

Полученные результаты показали, что процессоры отечественной разработки обладают достаточной производительностью для решения томографических задач в режиме реального времени и способных составить конкуренцию процессорам зарубежного производства. 4-процессорный сервер Эльбрус-804 затратил на реконструкцию 511 слоев синтетических данных 19 секунд, то есть каждый слой был восстановлен за 0.037 секунды, а послойная частота составила 26.8 слоев в секунду (26.8 ips).

Эльбрус-4С – процессор, массово поставленный на рынок. Имеет 4 ядра с частотой 750…800 МГЦ, 3 канала памяти DDR3-1600. Эльбрус-8С – 8 ядер, частота 1.2…1.3 ГГц, 4 канала памяти DDR3-1600, и при этом – в каждом ядре в 1.5 раза больше исполнительных устройств (ALU) для вычислений с плавающей запятой. Эльбрус-8СВ – дальнейшее обновление: 8 ядер с частотой 1.5 ГГц, память DDR4-2400 и ещё в 2 раза больше ALU. Эльбрус-8СВ лучше работает с невыровненными данными, и в нём масса других небольших обновлений по сравнению с Эльбрус-8С. рассказал Константин Трушкин, заместитель генерального директора по маркетингу АО МЦСТ

Гентри 16-срезового кардиологического томографа за секунду совершает чуть меньше двух оборотов, регистрируя порядка 30 синограмм. Мы восстанавливаем 26.8 слоя в секунду, т.е. проводим реконструкцию практически в режиме реального времени. Таким образом, 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. Реконструкция в реальном времени требуется также для реализации протокола сканирования — контролируемой реконструкции. Использование этого протокола уменьшает лучевую нагрузку за счет того, что сбор рентгенограмм прерывается сразу, как только их набор оказывается достаточным для восстановления. поведал Владимир Арлазаров, к.т.н., генеральный директор Smart Engines