Разработка векторного алгоритма по технологии CUDA для трехмерного моделирования процесса лазерной коагуляции сетчатки
Автор: Широканев Александр Сергеевич, Андриянов Никита Андреевич, Ильясова Наталья Юрьевна
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Обработка изображений, распознавание образов
Статья в выпуске: 3 т.45, 2021 года.
Бесплатный доступ
Для лечения диабетической ретинопатии в современной практике применяется лазерная коагуляция. В процессе лазерной операции параметры лазерного воздействия подбираются вручную врачом, что требует от врача достаточного опыта и знаний, чтобы достичь терапевтического эффекта. На основе математического моделирования процесса лазерной коагуляции можно оценить основные параметры без проведения операции. Однако сетчатка имеет достаточно сложную структуру, и при применении даже низкозатратных численных методов для моделирования требуется значительное время для получения результата. В связи с этим разработка эффективных по времени алгоритмов трехмерного моделирования является актуальной задачей, поскольку применение таких алгоритмов позволит обеспечить проведение комплексного исследования в рамках ограниченного времени. В настоящей работе проводится исследование времени выполнения алгоритмов, реализующих различные вариации применения метода расщепления и метода конечных разностей, адаптированных под поставленную задачу теплопроводности, выявляется наиболее эффективный алгоритм, который далее подвергается векторизации и реализации с использованием технологии CUDA. Исследование проводилось с использованием Intel Core i7-10875H и Nvidia RTX 2080 MAX Q и показало, что аналог векторного алгоритма, ориентированного на решение многомерной задачи теплопроводности, обеспечивает ускорение не более, чем в 1,5 раза, по сравнению с последовательным вариантом. Разработанный векторный алгоритм, ориентированный на применение метода прогонки по всем направлениям трехмерной задачи, существенно снижает временные издержки, затрачиваемые на копирование в память видеокарты, и обеспечивает 40-кратное ускорение по сравнению с последовательным алгоритмом трехмерного моделирования. На основе такого же подхода разработан параллельный алгоритм математического моделирования, который обеспечил 20-кратное ускорение при полной загрузке процессора.
Диабетическая ретинопатия, лазерная коагуляция, математическое моделирование, уравнение теплопроводности, параллельные алгоритмы, векторные алгоритмы, cuda
Короткий адрес: https://sciup.org/140257404
IDR: 140257404 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-828
Список литературы Разработка векторного алгоритма по технологии CUDA для трехмерного моделирования процесса лазерной коагуляции сетчатки
- Гафуров, С.Д. Особенности применения лазеров в медицине / С.Д. Гафуров, Ш.М. Катахонов, М.М. Холмонов // European Science Journal. - 2019. -№ 3(45). - С. 92-95.
- Коцур, Т.В. Эффективность лазерной коагуляции в ма-куле и микрофотокоагуляции высокой плотности в лечении диабетической макулопатии / Т.В. Коцур, A.С. Измайлов // Офтальмологические ведомости. -2016. - Т. 9, № 4. - C. 43-45. - DOI: 10.17816/0V9443-45.
- Замыцкий, Е.А. Лазерное лечение диабетического ма-кулярного отека / Е.А. Замыцкий // Аспирантский вестник Поволжья. - 2015. - № 1-2. - С. 74-80.
- Kozak, I. Modern retinal laser therapy / I. Kozak, J. Luttrull // Saudi Journal of Ophthalmology. - 2014. - Vol. 29, Issue 2. - P. 137-146.
- Doga, A.V. Modern diagnostic and treatment aspects of diabetic macular edema / A.V. Doga, G.F. Kachalina, E.K. Pedanova, D.A. Buryakov // Ophthalmology, Diabetes. - 2014. - No. 4. - P. 51-59.
- Whiting, D.R. IDF diadetes atlas: global estimates of the prevalence of diabetes for 2011 and 2030 / D.R. Whiting [et al.] // Diabetes Res. Clin. Pract. - 2011. - Vol. 94(3). - P. 311-321.
- Братко, Г.В. К вопросу о ранней диагностике и частоте встречаемости диабетического макулярного отека и формировании групп риска его развития / Г.В. Братко, B.В. Черных, О.В. Сазонова // Сибирский научный медицинский журнал. - 2015. - Т.35, №1. - С. 33-36.
- Воробьёва, И.В. Диабетическая ретинопатия у больных сахарным диабетом второго типа. Эпидемиология, современный взгляд на патогенез. Обзор / И.В. Воробьёва, Д.А. Меркушенкова // Офтальмология. - 2012. - Т. 9, № 4. - С. 18-21. - DOI: 10.18008/1816-5095-2012-4-18-21.
- Амиров, А.Н. Диабетический макулярный отёк: эпидемиология, патогенез, диагностика, клиническая картина, лечение / А.Н. Амиров, Э.А. Абдулаева, Э.Л. Минхузи-на // Казанский медицинский журнал. - 2015. - Т. 96, №1. - С. 70 - 74.
- Астахов, Ю.С. Современные подходы к лечению диабетического макулярного отека / Ю.С. Астахов, Ф.Е. Шадричев, М.И. Красавина, Н.Н. Григорьева // Офтальмологические ведомости. - 2009. - Т. 2, № 4. - C. 59-69.
- Исхакова, А.Г. Результаты клиникоэкономического анализа лечения больных диабетической ретинопатией с макулярным отеком / А.Г. Исхакова // Аспирантский вестник Поволжья. - 2014. - № 1. - С. 96 - 98.
- Уманец, Н.Н. Интравитреальное введение ранибизумаба как метод лечения больных кистозным диабетическим ма-кулярным отеком / Н.Н. Уманец, З.А. Розанова, М. Альзин // Офтальмологический журнал. - 2013. - № 2. - С. 56-60.
- Cohen, S.M. Laser energy and dye fluorescence transmission through slood in vitro / S.M. Cohen, J.H. Shen, W.E. Smiddy // American Journal of Ophthalmology. -1995. - Vol. 119, Issue 4. - P. 452-457.
- Замыцкий, Е.А. Анализ интенсивности коагулятов при лазерном лечении диабетического макулярного отека на роботизированной лазерной установке Navilas / Е.А. Замыцкий, А.В. Золотарев, Е.В. Карлова, П.А. Замыцкий // Саратовский научно-медицинский журнал. - 2017. - Т. 13, № 2. - С. 375-378.
- Ильясова, Н.Ю. Оценивание геометрических признаков пространственной структуры кровеносных сосудов / Н.Ю. Ильясова // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, № 3. - С. 529-538. - DOI: 10.18287/0134-2452-2014-38-3529-538.
- Хорин, П. А. Выделение информативных признаков на основе коэффициентов полиномов Цернике при различных патологиях роговицы человеческого глаза / П.А. Хорин, Н.Ю. Ильясова, Р.А. Парингер // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42, № 1. - С. 159-166. - DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-1-159-166.
- Широканев, А.С. Исследование алгоритмов расстановки коагулятов на изображение глазного дна / А.С. Широканев, Д.В. Кирш, Н.Ю. Ильясова, А.В. Куприянов // Компьютерная оптика. - 2018. -Т. 42, № 4. - С. 712-721. - DOI: 10.18287/2412-61792018-42-4-712-721.
- Ильясова, Н.Ю. Диагностический комплекс анализа изображений сосудов глазного дна / Н.Ю. Ильясова // Биотехносфера. - 2014. - Т. 3(33). - С. 20-24.
- Ильясова, Н.Ю. Методы цифрового анализа сосудистой системы человека. Обзор литературы / Н.Ю. Ильясова // Компьютерная оптика. - 2013. - Т. 37, № 4. - С. 511-535. - DOI: 10.18287/0134-2452-2013-37-4511-535.
- Ильясова, Н.Ю. Измерение биомеханических характеристик сосудов для ранней диагностики сосудистой патологии глазного дна / Н.Ю. Ильясова, А.В. Устинов, А.В. Куприянов, М.А. Ананьин, Н.А. Гаврилова // Компьютерная оптика. - 2005. - № 27. - С. 165-169.
- Сойфер, В. А. Методы компьютерного анализа диагностических изображений глазного дна / В.А. Сойфер, Н.Ю. Ильясова, А.В. Куприянов, А.Г. Храмов, М.А. Ананьин // Технология живых систем. - 2008. -Т. 5, № 5-6. - C. 61-71.
- Симчера, В.М. Методы многомерного анализа статистических данных / В.М. Симчера. - М: Финансы и статистика, 2008. - 400 с. - ISBN: 978-5-279-03184-9.
- Dementyiev, V.E. Use of images augmentation and implementation of doubly stochastic models for improving accuracy of recognition algorithms based on convolutional neural networks / V.E. Dementyiev, N.A. Andriyanov, K.K. Vasilyiev. - In: 2020 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SYNCHROINFO). - 2020. - P. 1-4. - DOI: 10.1109/SYNCHROINFO49631.2020.9166000.
- Vasiliev, K.K. Using probabilistic statistics to determine the parameters of doubly stochastic models based on autoregression with multiple roots / K.K. Vasiliev, V.E. Dementyiev, N.A. Andriyanov // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1368. - 032019. - DOI: 10.1088/1742-6596/1368/3/032019.
- Jung, J.J. NAVILAS Laser System Focal Laser Treatment for Diabetic Macular Edema - One Year Results of a Case Series / Jung J.J., Gallego-Pinazo R., Lleo-Perez A., Huz J.I., Barbazetto I.A. // Open Ophthalmology Journal, 2013. - Vol. 7. - P. 48-53.
- Ковеня, В.М. Алгоритмы расщепления при решении многомерных задач аэрогидродинамики / В.М. Ковеня; под ред. Ю.И. Шокина. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. - 280 c.
- Чернов, В.М. Параллельная машинная арифметика для рекуррентных систем счисления в неквадратичных полях / В.М. Чернов // Компьютерная оптика. - 2020. -Т. 44, № 2. - С. 274-281. - DOI: 10.18287/2412-6179-CO-666.
- Якобовский, М.В. Введение в параллельные методы решения задач: Учебное пособие / М.В. Якобовский. - М.: Издательство Московского университета, 2012. - 328 с.
- Fadeev, D.A. High performance 2D simulations for the problem of optical breakdown / D.A. Fadeev // Computer Optics. - 2016. - Vol. 40(5) - P. 654-658. - DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-5-654-658.
- Поляков, М.В. Математическое моделирование пространственного распределения радиационного поля в биоткани: определение яркостной температуры для диагностики / М.В. Поляков, А.В. Хоперсков // Вестник Волгоградского государственного университета. - 2016. - Т. 36, № 5. - С. 73-84.
- Поляков, М.В. Численное моделирование динамики распространения температуры в биологической ткани / М.В. Поляков; под ред. Д.А. Новиковой, А.А. Ворониной. - В кн.: Материалы всероссийской школы-конференции молодых ученых. - 2015. - Т. 1. - С. 971-978.
- Пушкарева, А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани. Учебное пособие / А.Е. Пушкарева. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 103 с.
- Kistenev, Y. Modeling of IR laser radiation propagation in bio-tissues / Y. Kistenev, A. Buligin, E. Sandykova, E. Sim, D. Vrazhnov // Proceedings of SPIE. - 2019. - Vol. 11208. - 112081Q.
- Самарский, А.А. Схемы повышенного порядка точности для многомерного уравнения теплопроводности / А.А. Самарский // Журнал вычислительной математики и математической физики. - 1963. - Т. 3(5). -С. 812-840.
- Ануфриев, И.Е. Математические методы моделирования физических процессов. Метод конечных разностей. С решениями типовых задач: Учебное пособие / И.Е. Ануфриев, П.А. Осипов. - СПб: Издательство Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, 2014. - 130 с.
- Федоров, А.А. Сравнение двух методов распараллеливания прогонки на гибридных ЭВМ с графическими ускорителями / А.А. Федоров, А.Н. Быков // Вопросы атомной науки и техники. Серия: математическое моделирование физических процессов. - 2016. -№ 4. - С. 40-50.
- Широканев, А. С. Разработка векторного алгоритма параметрической идентификации трёхмерных кристаллических решёток на основе оценки расстояний между двумерными слоями / А.С. Широканев, Д.В. Кирш, А.В. Куприянов // Информационные технологии и нанотехнологии (ИТНТ-2017). Сборник трудов по материалам III Международной конференции и молодежной школы. - 2017. - С. 1615-1619.
