• Научно-Исследовательский
    Вычислительный Центр
    Московского Государственного
    Университета имени М. В. Ломоносова

    Оптические технологии и ультразвуковая 3D томография

  • В настоящее время одной из важных проблем современной медицины является разработка аппаратуры для выявления рака на самых ранних стадиях развития болезни, в частности рака молочной железы. В Московском Государственном Университете разрабатываются принципиально новые ультразвуковые диагностические методы для исследования мягких тканей. В отличие от рентгеновского излучения ультразвук безвреден и может использоваться для регулярных обследований. Разрабатываемые методы ультразвуковой томографии ориентированы на реконструкцию структуры мягких тканей с высоким разрешением для обнаружения рака на самых ранних стадиях.

    Задача томографической реконструкции внутренней структуры исследуемого объекта по измерениям акустического поля на заданной поверхности, окружающей объект, представляет собой нелинейную коэффициентную обратную задачу для уравнения гиперболического типа. Объём входных данных составляет несколько гигабайт, количество неизвестных в 3D обратной задаче — десятки миллионов. Такие задачи невозможно решать без суперЭВМ. Для описания процесса распространения ультразвуковых волн используется скалярная волновая модель, которая описывает эффекты дифракции, рефракции, поглощения волн. Предложены эффективные итерационные методы приближённого решения обратной задачи, основанные на прямом вычислении градиента функционала невязки между измеренным и смоделированным волновым полем. Разработанные алгоритмы реализованы на GPU-кластерах, что обеспечивает ускорение порядка 1000 раз по сравнению с персональным компьютером. Эффективность алгоритмов подтверждена расчётами модельных задач на суперЭВМ. Разработан экспериментальный стенд, который позволяет тестировать алгоритмы на экспериментальных данных. Результаты получены в рамках проекта РНФ 17-11-01065 в НИВЦ МГУ. Разработанные методы низкочастотной волновой томографии могут найти применение в задачах неразрушающего контроля.

    Литература

    Goncharsky A. V., Romanov S. Y. Iterative methods for solving coefficient inverse problems of wave tomography in models with attenuation // Inverse Problems. 2017, 33, № 2, 025003.

    Goncharsky A. V., Seryozhnikov S. Y. The Architecture of Specialized GPU Clusters Used for Solving the Inverse Problems of 3D Low-Frequency Ultrasonic Tomography // Supercomputing. RuSCDays 2017. Communications in Computer and Information Science / Ed. by Voevodin V., Sobolev S. Vol. 793. Cham.: Springer, 2017. P. 363–395.

    Romanov S. Optimization of numerical algorithms for solving inverse problems of ultrasonic tomography on a supercomputer // Supercomputing. RuSCDays 2017. Communications in Computer and Information Science / Ed. by Voevodin V., Sobolev S. Vol. 793. Cham.: Springer, 2017. P. 67–79.

    Гончарский А. В., Романов С. Ю., Серёжников С. Ю. Обратные задачи послойной ультразвуковой томографии с данными на цилиндрической поверхности // Вычислительные методы и программирование: Новые вычислительные технологии. 2017, 18, № 3, 267-276.

    Гончарский А. В., Романов С. Ю., Серёжников С. Ю. О проблеме выбора начального приближения в обратных задачах ультразвуковой томографии // Вычислительные методы и программирование: Новые вычислительные технологии. 2017, 18, № 3, 312-321.