Simulation of magnetic resonance imaging

Abstract

A new step-by-step comprehensive MR physics simulator (MRISIMUL) of the Bloch equations ispresented in this work. The aim was to develop a magnetic resonance imaging (MRI) simulator thatmakes no assumptions with respect to the underlying pulse sequence and also allows for complexlarge-scale analysis on a single-node computer without requiring simplifications of the MRI model.We hypothesized that such a simulation platform could be developed with parallel acceleration of theexecutable core within the graphic processing unit (GPU) environment. MRISIMUL integrates realisticaspects of the MRI experiment from signal generation to image formation and solves the entirecomplex problem for densely spaced isochromats and for a densely spaced time axis. The simulationplatform was developed in MATLAB whereas the computationally demanding core services weredeveloped in CUDA-C. The MRISIMUL simulator imaged three different computer models: a userdefinedphantom, a human brain model and a human heart model whereas three different motionmodels were introduced as well: cardiac motion, respiratory motion and flow.The high computational power of GPU-based simulations was compared against other computerconfigurations. A speedup of about 228 times was achieved when compared to serially executed Ccodeon the CPU whereas a speedup between 31 to 115 times was achieved when compared to theOpenMP parallel executed C-code on the CPU, depending on the number of threads used inmultithreading (2–8 threads). Moreover, simulations of motion with MRISIMUL on single-node andmulti-node multi-GPU systems were also examined demonstrating an almost linear scalableperformance with the increasing number of available GPU cards, in both single-node and multi-nodemulti-GPU computer systems.MRISIMUL is the first MR physics simulator that allows for computationally intense realistic simulationson multi-GPU computer systems. The high performance of MRISIMUL can bring the computationalpower of a supercomputer or a large computer cluster to a single GPU personal computer. Theincorporation of realistic aspects of MR experiments, such as motion, may benefit the design andoptimization of existing or new MR pulse sequences, protocols and algorithms.

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται ένας νέος, ολοκληρωμένος προσομοιωτής της φυσικής τηςΜαγνητικής Τομογραφίας (MRISIMUL) που βασίζεται στην επίληση του συστήματος των Blochεξισώσεων. Κύριος στόχος αυτής της εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός προσομοιωτή της ΜαγνητικήςΤομογραφίας (MRI) που δεν κάνει υποθέσεις σε σχέση με την υποκείμενη ακολουθία παλμών και πουεπιτρέπει την πολύπλοκη ανάλυση προβλημάτων μεγάλης κλίμακας με τη χρήση ενός υπολογιστή,χωρίς να απαιτείται απλούστευση του πειραματικού μοντέλου.Η εργασία αυτή βασίστηκε στην υπόθεση ότι μια τέτοια πλατφόρμα προσομοίωσης θα μπορούσε νααναπτυχθεί κάνοντας χρήση της παράλληλης τεχνολογίας που προσφέρει το προγραμματιστικόπεριβάλλον των σύγχρονων καρτών γραφικών (GPU). Ο προσομοιωτής MRISIMUL ενσωματώνειρεαλιστικές πτυχές του πειράματος της Μαγνητικής Τομογραφίας, από την παραγωγή του σήματος έωςτο σχηματισμό της εικόνας ενώ παράλληλα επιτρέπει την επίλυση του προβλήματος για πυκνά χωρικάκαι χρονικά μοντέλα. Η πλατφόρμα προσομοίωσης αναπτύχθηκε σε MATLAB ενώ οι υπολογιστικάαπαιτητικές βασικές διεργασίες αναπτύχθηκαν στο περιβάλλον της CUDA-C. Ο προσομοιωτήςMRISIMUL ενσωματώνει τρία διαφορετικά υπολογιστικά μοντέλα: ένα καθορισμένο από το χρήστημοντέλο, ένα ανθρώπινο μοντέλο του εγκεφάλου και ένα ανθρώπινο μοντέλο της καρδιάς, ενώ τρίαεπιπλέον μοντέλα κίνησης εισήχθησαν: καρδιακή κίνηση, αναπνευστική κίνηση και ροή.Η υψηλή υπολογιστική ισχύ των σύγχρονων καρτών γραφικών (GPU) στη προσομοίωση ΜαγνητικήςΤομογραφίας συγκρίθηκε έναντι άλλων διαμορφώσεων υπολογιστικών συστημάτων. Η χρήση μιαςκάρτας γραφικών παρουσίασε επιτάχυνση περίπου 228 φορές συγκριτικά με την εκτέλεση σειριακού C-κώδικα σε μια CPU ενώ επιτάχυνση μεταξύ 31 και 115 φορές παρουσιάστηκε συγκριτικά με τηνOpenMP έκδοση του C-κώδικα σε μια CPU, ανάλογα με τον αριθμό των νημάτων πουχρησιμοποιήθηκαν σε αρχιτεκτονική πολυνημάτωσης (2-8 νήματα). Επιπλέον, εξετάστηκανπροσομοιώσεις κίνησης με τον προσομοιωτή MRISIMUL σε συστήματα μονού κόμβου και πολλαπλώνκόμβων με τη χρήση πολλαπλών καρτών GPU επιδεικνύοντας μια σχεδόν γραμμική σχέση ανάμεσαστην επιτάχυνση και στον αριθμό των διαθέσιμων καρτών GPU στα συστήματα πολλαπλών καρτώνγραφικών, είτε μονού νόμβου είτε πολλαπλών κόμβων.Ο προσομοιωτής MRISIMUL είναι η πρώτη πλατφόρμα προσομοίωσης της φυσικής της ΜαγνητικήςΤομογραφίας που επιτρέπει την εκτέλεση υπολογιστικά επιβαρυμένων, ρεαλιστικών προσομοιώσεωνσε υπολογιστικά συστήματα πολλαπλών καρτών γραφικών. Η υψηλή απόδοση του MRISIMUL μπορείνα φέρει την υπολογιστική ισχύ ενός υπερυπολογιστή ή ενός μεγάλου συμπλέγματος υπολογιστών(cluster) σε έναν προσωπικό υπολογιστή που διαθέτει μια σύγχρονη κάρτα γραφικών. Η ενσωμάτωσηρεαλιστικών πτυχών των πειραμάτων Μαγνητικής Τομογραφίας , όπως πχ κίνηση, μπορεί να ωφελήσειστο μέλλον τον σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των υφιστάμενων ή νέων παλμοσειρών,πρωτοκόλλων και αλγορίθμων της Μαγνητικής Τομογραφίας.