Расширенный семинар Перспективные компьютерные системы: устройства, методы и концепции" Таруса, 2-4 марта 2011 г.

Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского Нижегородский национальный исследовательский университет Институт прикладной физики РАН Проект: Использование специализированных высокопроизводительных компьютеров на базе новейших графических процессоров в системах медицинской диагностики Гергель В.П., профессор, д.т.н. Декан факультета вычислительной математики и кибернетики Нижегородского университета Сергеев А.М., профессор, д. ф.-м. н., член-корр. РАН зам. директора Института прикладной физики РАН

ННГУ, ИПФ РАН, из 38 Исполнитель проекта: Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского (ННГУ), ректор проф. Чупрунов Е.В. Организации-соисполнители: Институт прикладной физики РАН Институт медико-биологических проблем РАН Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН НИИ системных исследований РАН Приволжский окружной медицинский центр ФМБА России Нижегородская государственная медицинская академия Российский федеральный ядерный центр - ВНИИЭФ

ННГУ, ИПФ РАН, Одн а из наиболее острых социально-значимых проблем России – критически-опасная демографическая ситуация в стране: Низкая продолжительность жизни (162 место в мире), Высокая смертность (12 место в мире), Сокращение народонаселения (6.5 млн. за гг.) 4 из 38 Проблемы, на решение которых направлен проект…

ННГУ, ИПФ РАН, "Diagnosis cetra - ullae therapiaefundamentum" ("Достоверный диагноз - основа любого лечения") 5 из 38 Проблемы, на решение которых направлен проект… Перспективный путь решения проблемы - организация профилактики здоровья населения, обеспечение ранней точной диагностики на основе широкого использования высокотехнологических методов медицинской диагностики - компьютерной рентгеновской (КТ), магнитно- резонансной (МРТ) и позитронно-эмиссионной (ПЭТ) томографий, рентгенографии и рентгеноскопии и др. В рамках нацпроекта «Здоровье» диспансеризацию прошли свыше 17 миллионов человек и из них 10 миллионов оказались больны (при этом все обследуемые изначально считали себя здоровыми)

ННГУ, ИПФ РАН, Применение высокотехнологической медицинской диагностики наталкивается на проблемы: Острая нехватка квалифицированного медицинского персонала, Ограниченность финансирования, Значительные размеры территории страны и др. 6 из 38 Возможное решение проблем может быть обеспечено при помощи создания федеральной телемедицинской системы нового поколения на основе Центров передачи, хранения и анализа значительных объемов медицинской информации Проблемы, на решение которых направлен проект…

ННГУ, ИПФ РАН, Проблемы, на решение которых направлен проект 7 из 38 Обследование пациента Сеть передачи данных Анализ данных в Центре Диагноз Анализ данных в Центре телемедицины может быть выполнен высококвалифицированным персоналом Установление диагноза с использованием средств высокотехнологической медицинской диагностики позволит организовать адресную доставку медицинской помощи населению Обследование может быть выполнено младшим медперсоналом Снижение смертности не менее чем на 10% (экспертная оценка)

ННГУ, ИПФ РАН, Концептуальные основы проекта… Базовая гипотеза проекта – ранняя точная диагностика и профилактика заболеваний может обеспечена на основе биомедицинской информации, предоставляется методами лучевой диагностики (магнитно-резонансной, мультиспиральной компьютерной, рентгеновской, оптической когерентной томографией), ультразвуковой, функциональной, морфологической диагностики. Реализация такого подхода сдерживается отсутствием адекватных высокопроизводительных компьютерных систем передачи, хранения и анализа значительных объемов биомедицинской информации 8 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Концептуальные основы проекта… В рамках проекта планируется обеспечить решение следующего спектра задач: Сбор и хранение в единой базе данных медицинской информации, получаемой посредством высокотехнологи- ческих приборов и устройств медицинской диагностики. Автоматизированная обработка биомедицинских изображений для анализа и выявления имеющихся патологических изменений. Обработка трехмерных биомедицинских изображений для совмещения диагностической информации, полученной в разные дни или на различных устройствах. Выявление пациентов со сходной клинической картиной на основе имеющихся биомедицинских данных. 9 из 38

Биоимиджинг, оптическая томография, радиационная терапия Молекулярная динамика для био- и нано- инженерии Моделирование функционирования мозга и мозг- компьютерных интерфейсов Расчет компактных лазерных ускорителей заряженных частиц для радиационной терапии, протонографии и инерционного термоядерного синтеза Спектр задач…

Расчет распространения большого числа фотонов в сильно рассеивающих средах для реконструкции их внутренней структуры Расчет дозы для проведения радиационной терапии Алгоритм расчета – Метод Монте-Карло –Идеальное распараллеливание (не требуется обмен данными) –Идеально подходит для ГПУ (эффективность близка к 100%) Биоимиджинг, оптическая томография, радиационная терапия

Сегодня на ПК: расчет 10 8 фотонов ~ 100 TFlop ~ 1 час (только простейшие модельные случаи) Суперкомпьютер 1 PFlops: расчет фотонов ~ 100 PFlop ~ 2 мин (применение для реальных задач) Биоимиджинг, оптическая томография, радиационная терапия Реконструкция внутренней структуры сильно рассеивающей среды для реальных размеров в режиме реального времени!

Исследование молекулярных механизмов функционирования биологических молекул - фотосинтез - синтез биомолекул - генная регуляция Био- и нано-инженерия - самосборка биомолекул - регенерация живых тканей - сборка наноразмерных молекулярных структур Молекулярная динамика для био- и нано- инженерии

Метод расчёта – классическая динамика атомов с близкодействующими взаимодействиями - можно эффективно распараллеливать (низкая интенсивность обмена данными за счет близкодействия) - высокая степень применимости ГПУ Характерные значения (сегодня): до 100 тыс. атомов ~ 10 PFlop Возможности с суперкомпьютером 1 PFlops: - число атомов до 10 млн. ~ 1000 PFlop ~ 1 час - более реальные (квантовые) модели взаимодействия Молекулярная динамика для био- и нано- инженерии Возможность получения передовых результатов

Моделирование функционирования нейронных сетей (совокупности нейронных клеток соединённых синоптическими связями) позволяет интерпретировать экспериментальные данные, служит источником идей для разработки алгоритмов и систем искусственного интеллекта Алгоритм расчета – метод Рунге-Кутта для модельных систем обыкновенных дифференциальных уравнений (нейроны) – распространение импульсов по связям – модель эволюции связей Алгоритм может быть эффективно распараллелен при использовании специальных алгоритмических решений, снижающих интенсивность обмена данными и частоту обращений к памяти Моделирование функционирования мозга и мозг-компьютерных интерфейсов

Возможности на ПК - до 1000 нейронов (из-за малого числа нейронов не проявляются важнейшие эффекты) Возможности с суперкомпьютером 1 PFlops: - динамика до 1 млн. нейронов (фрагмент 1 мм 3 ) в реальном времени! Моделирование функционирования мозга и мозг-компьютерных интерфейсов Беспрецедентная возможность исследовать полноценное взаимодействие компьютерного и природного мозга в реальном времени! Европейский проект Blue Brain 1 мм 3 : 1 PFlops В реальном времени!

Исследования процессов взаимодействия предельно коротких лазерных импульсов релятивистской интенсивности с твердотельными мишенями в контексте поиска принципиальных концепций и оптимизации параметров для генерации протонных пучков с энергией порядка 100 МэВ – 1 ГэВ Важнейшие применения для адронной терапии, протонографии и инерционного термоядерного синтеза Алгоритм – расчет эволюции электромагнитного поля методом конечных разностей + расчет релятивистских уравнений движений «крупных» частиц Компактные лазерные ускорители В ИПФ РАН ведутся передовые исследования с использованием мощнейших российских и зарубежных суперкомпьютеров

Алгоритм может быть эффективно распараллелен при использовании специальных алгоритмических решений, снижающих интенсивность обмена данными и частоту обращений к памяти Возможности на суперкомпьютерах 10 TFlops (сегодня): 1 млрд. ячеек поля, 10 млрд. частиц ~ 5000 PFlop ~ 1 неделя Возможности на суперкомпьютере 1 PFlops: 1 млрд. ячеек поля, 10 млрд. частиц ~ 5000 PFlop ~ 1 час Компактные лазерные ускорители Эффективное исследование и проектирование реальных твердотельных мишеней в трехмерной геометрии!

Вычисления могут быть разделены (распараллелены) на большое количество вычислительных блоков Вычислительные блоки обладают низкой информационной зависимостью (т.е. могут быть выполнены на вычислительных устройствах с распределенной памятью) Объем данных вычислительных блоков достаточно ограничен Анализ предметной области

Выделенная специфика вычислений предметной области (низкая информационная зависимость, ограниченность объема обрабатываемых данных) позволяют выбрать в качестве основных вычислителей графические процессорные устройства (ГПУ), которые –Содержат большое количество вычислительных ядер, –Имеют на вычислительных ядрах локальную память небольшого размера, –Ориентированы на вычисления, в которых обмен данными между ядрами ограничен ГПУ в максимальной степени соответствуют характеру вычислений предметной области Выбор графических процессоров в качестве основных вычислителей

ННГУ, ИПФ РАН, Концептуальные основы проекта… Ключевым элементом всей создаваемой телемедицинской сети являются суперкомпьютеры с новой архитектурой, наиболее адекватной характеру решаемых задач, а именно, суперкомпьютеры на базе новейших высокопроизводительных графических процессоров. Достижимость целей проекта обеспечивают разработки и практический опыт российских ученых в области стратегических информационных технологий и технологий, применяемых для создания инновационного биоимиджингового оборудования. 21 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Концептуальные основы проекта Максимально-возможное использование биомедицинской информации в форме 3D и стерео изображений, получаемых с помощью различных средств высокотехнологической медицинской диагностики, Разноуровневость системы обработки данных с основным объемом работ в региональных или окружных телемедицинских центрах, оснащенных высокопроизводительными компьютерами, Мультикластерность по наиболее актуальным для России направлениям медицины (онкология, кардиология, травматология, скрининг), Ориентированность на освоение производства отечественных высокотехнологичных импортозамещающих продуктов и услуг. 22 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Цели проекта Повышение качества и эффективности медицинской помощи населению и системы профессионального образования медицинских кадров Создания межрегиональной телемедицинской сети на основе применения современных технологий сбора, передачи, обработки, поиска и хранения информации для решения широкого круга медицинских задач 23 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Основные направления работ… Медицина Разработка системы телемедицины нового поколения на основе высокопроизводительных Центров передачи, хранения и анализа значительных объемов медицинской информации. Разработка диагностических алгоритмов построения диагнозов по данным высокотехнологических средств медицинской диагностики. Выполнение пилотных подпроектов в области кардиологии, онкологии, травматологии, программ профилактики и оздоровления населения, реабилитации) и др. 24 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Основные направления работ… Информационные технологии Создание компьютерных систем с предельно- достижимыми на данный момент времени характеристиками для формирования единой базы медицинских данных. Разработка алгоритмов и программ сбора, визуализации, поиска, передачи, сжатия, хранения медицинской информации,. Разработка программного обеспечения для решения широкого спектра прикладных медицинских задач и др. 25 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Основные направления работ… Промышленное производство Освоение технологий и организация производства импортозамещающего, прежде всего, диагностического медицинского оборудования конкурентоспособного на внутреннем и мировом рынке в количествах достаточных для оснащения медицинских учреждений страны, входящих в создаваемую телемедицинскую сеть. Освоение производства мобильных телемедицинских комплексов и др. 26 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Основные направления работ Образование Создание системы обучения медицинских и инженерных кадров работе с телемедицинскими технологиями. Разработка концепции дистанционного образования на основе использования многоточечных видеосерверов с возможностью передачи больших объёмов медицинских данных. Разработка экспертных, учебных, тестирующих медицинских систем и др. 27 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта… Для реализация проекта предлагается трехэтапная схема выполнения работ: I этап – «Модель» ( ); II этап – «Регион» ( ); III этап - «Россия» ( ). 28 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта… I этап – «Модель» ( )… Цель – создать действующий макет центра хранения и обработки медицинских данных на основе использования отечественного суперкомпьютера производительностью Терафлопс и Медицинского консультативно- методического мультикластера, созданного на базе трех специализированных медицинских учреждений Нижнего Новгорода кардиологического, онкологического и травматологического профилей. 29 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта… I этап – «Модель» ( ) – Ожидаемые результаты Создан макет центра передачи, хранения и анализа биомедицинской информации. Разработаны тематические медицинские базы данных. Разработано и прошло опытную эксплуатацию ПО эффективной передачи большеформатных графических документов и 3D изображений и автоматизации принятия решений в задачах медицинской диагностики Создана модель мультикластерного здравоохранения на базе трех специализированных медицинских учреждений Нижнего Новгорода кардиологического, онкологического и травматологического профилей и др. 30 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта… I этап – «Модель» ( )… Одним из значимых результатов данного этапа проекта будет создание аппаратно-программного комплекса «Виртуальный томограф», обеспечивающиего мультимодальную 3D и стерео визуализацию биомедицинских данных, полученных от разных средств медицинской диагностики. 31 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта… I этап – «Модель» ( ) – Макет системы 32 из 38 Консультационная поддержка профильных МЦ Москвы, С-Петербурга, других учреждений, имеющих опыт телемедицинской деятельности. Дирекция проекта Осуществление общего руководства Телемедицинский информационно-аналитический центр (быстродействующий компьютер Тфлопс, модель региональной базы данных) Первичная диагностическая информация Обработанная информация и рекомендации Телемедицинский центр Медицинский мультикластер Кардиология Онкология Травматология

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта… II этап – «Регион» ( )… Цель – создание Федерального Координационного Центра. На данном этапе будут созданы: Федеральный Координационный Центр. Пилотная региональная телемедицинская сеть (РТМС) с региональным телемедицинским информационно- аналитическим центром (РТМИАЦ). Пять межрайонных телемедицинских диагностических центров (МРТМДЦ). 33 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта… II этап – «Регион» ( ) – Региональный уровень 34 из 38 Федеральный Координационный Центр «Электронное Здоровье» при МЗиСР РФ (методическое руководство и проведение необходимых изменений в законодательстве) Национальный оператор телемедицинской сети (всероссийская база данных медицинской информации) Консультационная и образовательная поддержка (медучреждения Москвы, С-Петербурга и международные центры) Информа ционные потоки Телемедицинский информационно-аналитический центр (суперкомпьютер 1 Пфлопс) Диагноз, рекомендуемое лечение и образовательные программы Первичная медико- диагностическая информация Медицинский мультикластер Нижегородская региональная телемедицинская сеть Кластер травматология Обработанная медико- диагностическая информация Кластер кардиология Кластер онкология Городские медучреждения, межрайонныеТМДЦ и мобильные телемедицинские комплексы Результаты диагностики и рекомендуемое лечение

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта… III этап - «Россия» ( ) … Цель – создание федеральной консультационно- диагностической и образовательной сети. На третьем этапе проекта создается четырёхуровневая сеть, включающей: - координационный телемедицинский центр Минздравсоцразвития; - окружные телемедицинские центры в столицах каждого федерального округа; - региональные телемедицинские центры, расположенные в ведущих медицинских учреждениях субъектов федерации; - межрайонные телемедицинские диагностические центры в ряде центральных районных больниц субъектов федерации. 35 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, План реализации проекта III этап - «Россия» ( ) – Федеральный уровень 36 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Значимость проекта Проект обладает высокой социальной значимостью, так как его реализация позволит: Содействовать увеличению эффективности отечественного здравоохранения, прежде всего, в наиболее неблагополучных для России медицинских сферах. Дать необходимый импульс развитию сразу нескольких отраслей отечественной промышленности. Способствовать максимальному вовлечению интеллектуального потенциала страны в процесс производства высокотехнологичных продуктов и оказания услуг. Занять России достойное место в мире в области стратегических информационных технологий. Сократить отток валютных средств, увеличить внутренний оборотный капитал страны и объем поступлений в бюджеты всех уровней. 37 из 38

ННГУ, ИПФ РАН, Контакты: Гергель Виктор Павлович Сергеев Александр Михайлович 38 из 38