超聲成像模擬的并行計(jì)算研究

發(fā)布時(shí)間：2020-10-13 10:16

　　超聲成像模擬是研究超聲成像算法和臨床應(yīng)用研究的基礎(chǔ),以超聲成像為應(yīng)用目標(biāo),模擬復(fù)雜的人體組織并進(jìn)行超聲成像一直是一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。超聲成像模擬過程通常包含兩個(gè)部分,第一部分是通過構(gòu)建數(shù)字化體模來模擬人體組織復(fù)雜結(jié)構(gòu);第二部分是利用計(jì)算機(jī)程序模擬超聲成像的過程。超聲成像模擬可以生成近似于真實(shí)的超聲成像狀況下的B-mode圖像及相應(yīng)的RF信號,這為超聲成像算法的驗(yàn)證與測試提供了必要條件。但是由于計(jì)算數(shù)據(jù)量大且模擬過程太過復(fù)雜,超聲成像模擬需要大量時(shí)間,無法滿足在如臨床培訓(xùn)等業(yè)務(wù)中對于超聲成像模擬的實(shí)時(shí)性和高真實(shí)度的要求。本文的研究致力于提高超聲成像模擬的速度,結(jié)合到當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展,尤其是多核CPU和眾核GPU技術(shù)的快速發(fā)展,本文利用并行計(jì)算技術(shù)來實(shí)現(xiàn)超聲成像模擬過程的加速,通過CPU多核和GPU眾核并行方案對超聲成像模擬過程加速,主要工作如下:1)提出基于Field Ⅱ超聲成像模擬的CPU多核并行方案。為了提高Field Ⅱ模擬超聲成像的速度,充分利用多核與分布式計(jì)算資源,本文利用Matlab并行工具箱及分布式計(jì)算服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)Field Ⅱ的并行與分布式超聲成像模擬。通過與單線程執(zhí)行的FieldⅡ?qū)Ρ?實(shí)驗(yàn)得到的加速比大致上與所采用的CPU核成正比,在采用線陣探頭和相控陣探頭進(jìn)行超聲成像模擬時(shí),利用32個(gè)計(jì)算核對應(yīng)的加速比分別達(dá)到22倍和25.5倍。2)提出基于波束形成的超聲成像模擬的GPU眾核并行方案。研究了基于合成發(fā)射孔徑的超聲波束形成過程,針對該算法計(jì)算密集型的特點(diǎn),結(jié)合CUDA并行編程技術(shù)對波束形成算法進(jìn)行并行性分析和實(shí)現(xiàn)。通過比較原算法在CPU下的串行實(shí)現(xiàn),GPU眾核并行實(shí)現(xiàn)方案有效提高了波束形成模擬算法的速度,加速比最大達(dá)到7.9倍,并且模擬成像結(jié)果和CPU完全一致。另外,相比于FieldⅡ仿真平臺模擬結(jié)果,基于波束形成的超聲成像模擬的結(jié)果更接近于實(shí)際超聲成像。3)在前面研究的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)超聲彈性成像的快速模擬方案。結(jié)合有限元分析方法和有限元分析軟件ANSYS,對組織模型進(jìn)行有限元模擬分析,得到壓縮后的散射體模型。然后利用Field Ⅱ并行與分布式計(jì)算平臺采集組織壓縮前后的RF信號,結(jié)合歸一化互相關(guān)算法進(jìn)行位移應(yīng)變估計(jì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,本文實(shí)現(xiàn)的模擬方案能夠快速得到壓縮前后的RF信號,準(zhǔn)確估計(jì)出組織的位移和應(yīng)變,加快超聲彈性成像應(yīng)用研究。
【學(xué)位單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP391.41;TB559
【部分圖文】：

超聲成像模擬的并行計(jì)算研究