Implementace 2D ultrazvukových simulací

Abstract

Práca sa zaoberá návrhom a implementáciou 2D simulácie ultrazvukových vĺn. Simulácia ultrazvuku nachádza svoje uplatnenie v medicíne, biofyzike či rekonštrukcii obrazu. Ako príklad môžme uviesť použitie fokusovaného ultrazvuku na diagnostiku a liečbu rakoviny. Program je súčasťou simulačného balíka k-Wave určeného pre superpočítačové systémy, konkrétne stroje s architektúrou zdieľaného adresového priestoru. Program je implementovaný v jazyku C++ s využitím akcelerácie pomocou OpenMP. Pomocou implementovaného riešenia je možné riešiť simulácie veľkých rozmerov v 2D priestore. Práca sa ďalej zaoberá zjednotením kódu 2D a 3D simulácie pomocou moderných prostriedkov C++. Reálnym príkladom využitia je simulácia ultrazvuku pri transkraniálnej neuromodulácii a neurostimulácii, ktorá prebieha v doménach o veľkosti 16384x16384 (a viac) bodov mriežky. Simulácia takýchto rozmerov môže pri použití pôvodnej MATLAB 2D k-Wave trvať niekoľko dní. Implementované riešenie dosahuje voči MATLAB 2D k-Wave 7 až 8 násobné zrýchlenie na superpočítačoch Anselm a Salomon.

The work deals with design and implementation of 2D ultrasound simulation. Applications of the ultrasound simulation can be found in medicine, biophysic or image reconstruction. As an example of using the ultrasound simulation we can mention High Intensity Focused Ultrasound that is used for diagnosing and treating cancer. The program is part of the k-Wave toolbox designed for supercomputer systems, specifically for machines with shared memory architecture. The program is implemented in the C++ language and using OpenMP acceleration. Using the designed solution, it is possible to solve large-scale simulations in 2D space. The work also deals with merging and unification of the 2D and 3D simulation using modern C++. A realistic example of use is ultrasound simulation in transcranial neuromodulation and neurostimulation in large domains, which have more than 16384x16384 grid points. Simulation of such size may take several days if we use the original MATLAB 2D k-Wave. Speedup of the new implementation is up to 8 on the Anselm and Salomon supercomputers.