Beschleunigung bildgebender Verfahren durch Einsatz rekonfigurierbarer Hardware am Beispiel der 3D Ultraschall-Computertomographie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die 3D-Ultraschall-Computertomographie ist ein vielversprechendes Verfahren zur frühzeitigen Brustkrebsdiagnose, in dem hochauflösende und reproduzierbare Volumenbilder erzeugt werden. Die erforderliche Rechenleistung der Bildrekonstruktion war zu Projektbeginn ein stark einschränkender Faktor der klinischen Relevanz dieses Verfahrens. Im Zentrum dieses Forschungsvorhabens stand daher die effiziente und modulare Umsetzung von Algorithmen in eine dedizierte parallele Hardware-Systemarchitektur zur Beschleunigung der Berechnungen um einen Faktor 100. Zu Beginn der Arbeiten wurde eine Analyse des aktuellen USCT-Systems und der Algorithmen mit darauf aufbauender Implementierung und Performanz-Analyse der Kernalgorithmen für (Mehrkern-)CPUs, und den FPGAs der USCT-DAQ-Hardware durchgeführt. Die Rekonfiguration der FPGAs in der 3D-USCT-Datenaufnahmehardware zur Wiederverwertung der FPGAs in der Bildgenerierung wurde entwickelt und eine dynamische und partielle Rekonfiguration des Gesamtsystems auf Granularität einzelner FPGAs ermöglicht. Es konnte für Beispielalgorithmen eine Beschleunigung durch Nutzung der vorhandenen DAQ-Hardware erzielt werden. Jedoch ist der erzielbare Beschleunigungsfaktor zu gering um die gewünschte Beschleunigung um Faktor 100 erhalten zu können. Die Begrenzung ist hauptsächlich durch die veralteten Altera Cyclone II FPGAs der 90 nm Technologie und den langsamen Interkommunikations-Datenbussen der DAQ-Hardware, gegeben. Eine Gegenüberstellung der Performanz von Stand-der-Technik-Hardware (FPGAs, GPUs, DSPs, Manycore) zeigte dass es mit einzelnen Komponenten des aktuellen Standes der Technik nicht möglich die benötigte Beschleunigung zu erreichen. Die Zielerreichung wurde erst durch eine Kombination von mehreren Komponente als heterogenes System möglich: Die entwickelten Methoden und Software wurden erstmals genutzt um während der Pilotstudie „3D-Ultraschall-Computertomographie für die Brustkrebsdiagnose“ am Uniklinikum Jena eine Gesamtperformanz mit Beschleunigung mit mehr als Faktor 100 zu erzielten. Es war durch Einsatz eines hetergonen Systems aus Multi-CPUs und einem Cluster von acht GPUs möglich während der Studie die vorverarbeiteten Daten einer Brust in klinischen relevanter Zeit von weniger als 30 Minuten zu rekonstruieren. Analysen der Energieeffizienz von FPGAs und GPUs zeigen dass für ein zukünftiges 3D-USCT in der Klinik mit Echtzeitfähigkeit ein energieeffizientes FPGA-basiertes System benötigt wird. Aus unseren Ergebnissen leiteten wir über eine Prognose des Performanzanstiegs für FPGAs ab dass spätestens im Jahr 2020 ein solches System in bezahlbarer Form zur Verfügung steht. Unserer Vision der frühen Diagnose und sofortigen Therapie von Brustkrebs in einer Patientensitzung sind wir durch dieses Projekt signifikant näher gekommen. Ultrasound Computer Tomography: A Quantum Leap in Breast Cancer Screening, lookKIT, 03/2011, ISSN 1869-2311 Bericht in Baden-TV im Rahmen des gewonnenen Technologie-Preises für USCT auf der iSMIT 2013 am 27.10.2013 (TRK Magazin Folge 10)
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Acceleration of image reconstruction in 3D ultrasound computer tomography: An evaluation of CPU, GPU and FPGA computing. Conference on Design and Architectures for Signal and Image Processing, 2011
M. Birk, A. Guth, M. Zapf, M. Balzer, N.V. Ruiter, M. Hübner, J. Becker
- Evaluation of the reconfiguration of the data acquisition system for 3D USCT. Intern. Journal of Reconfigurable Computing, Volume 2011, Article ID 952937, 9 pages
M. Birk, C. Hagner, M. Balzer, N.V. Ruiter, M. Huebner, J. Becker
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1155/2011/952937) - Parallel acceleration strategies for application in 3D Ultrasound Computer Tomography. Design, Automation & Test in Europe (DATE 2011), Special Interest Workshop on Designing for Embedded Parallel Computing Platforms: Architectures, Design Tools, and Applications
M. Birk
- A comprehensive comparison of GPU- and FPGA-based acceleration of reflection image reconstruction for 3D ultrasound computer tomography. Journal of Real-Time Image Processing
M. Birk, M. Zapf, M. Balzer, N. Ruiter, J. Becker
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11554-012-0267-4) - Comparison of processing performance and architectural efficiency metrics for FPGAs and GPUs in 3D Ultrasound Computer Tomography. International Conference on ReConFigurable Computing and FPGAs, 2012
M. Birk, M. Balzer, N.V. Ruiter, J. Becker
- GPU based acceleration of 3D USCT image reconstruction with efficient integration into MATLAB. Proceedings of SPIE 8675, art. no. 86750O, 2013
E. Kretzek, M. Zapf, M. Birk, H. Gemmeke, N.V. Ruiter
- ViSA: A highly efficient slot architecture enabling multi-objective ASIP cores. International Symposium on System on Chip (SoC), 2013
P. Figuli, C. Tradowsky, N. Gaertner, J. Becker
- GPU-based iterative transmission reconstruction in 3D Ultrasound Computer Tomography, Journal of Parallel and Distributed Computing, 74 (1), p. 1730-43, 2014
M. Birk, R. Dapp, N.V. Ruiter, J. Becker
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jpdc.2013.09.007)
