Разработка векторного алгоритма по технологии CUDA для трехмерного моделирования процесса лазерной коагуляции сетчатки

Abstract

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.

For diabetic retinopathy treatment, laser coagulation is used in modern practice. During the laser surgery process, the parameters of laser exposure are selected manually by a doctor, which requires the doctor to have sufficient experience and knowledge to achieve a therapeutic effect. On the basis of mathematical modeling of the laser coagulation process, it is possible to estimate the crucial parameters without performing an operation. However, the retina has a rather complex structure, and when even low-cost numerical methods are used for modeling, it takes a long time to obtain a result. In this regard, the development of time-efficient algorithms for three-dimensional modeling is an urgent task, since the use of such algorithms will provide a compre-hensive study within a limited time. In this paper, we study the execution time of algorithms that implement various variations in the application of the splitting method and the finite difference method, adapted to the set problem of heat conduction. The study reveals the most efficient algorithm, which is then vectorized and implemented using the CUDA technology. The study was carried out using Intel Core i7-10875H and Nvidia RTX 2080 MAX Q and showed that an analog of the vector algorithm, focused on solving a multidimensional heat conduction problem, provides an acceleration of no more than 1.5 times compared to the sequential version. The developed vector-based algorithm, focused on the application of the sweep method in all directions of the three-dimensional problem, significantly reduces the time spent on copying into the memory of the video card and provides a 40-fold acceleration in comparison with the sequential three-dimensional modeling algorithm. On the basis of the same approach, a parallel algorithm of mathematical modeling was developed, which provided a 20-fold acceleration at full processor load.