Использование графических ускорителей при моделировании нелинейных ультразвуковых пучков с ударными фронтами на основе уравнения Вестервельта

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Рассмотрена задача ускорения алгоритма расчета нелинейных эффектов при моделировании высокоинтенсивных ультразвуковых пучков на основе однонаправленного уравнения Вестервельта. При построении численного решения для сильно искаженных волн с ударными фронтами необходимо учитывать большое число гармоник (до 1000) на пространственных сетках с размером матриц порядка 10 000 на 10 000, что требует обработки больших объемов данных и длительного времени расчетов. В данной работе реализация оператора нелинейности проводится во временном представлении с использованием удароулавливающей схемы типа Годунова, которая позволяет моделировать нелинейные волны с ударными фронтами с небольшим (3) количеством узлов сетки на ударном фронте. В работе проводится сравнение эффективности использования данного метода при его реализации на центральном процессоре (CPU) и графических ускорителях (GPU) по сравнению со спектральным методом, реализованным ранее для квазилинейного распространения волны. Проводится анализ скорости выполнения алгоритмов на CPU и GPU в зависимости от размеров массивов входных данных.

作者简介

Е. Коннова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет,
Лаборатория медицинского и промышленного ультразвука

编辑信件的主要联系方式.
Email: helen.7aprel@gmail.com
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы 1, стр. 2

В. Хохлова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет,
Лаборатория медицинского и промышленного ультразвука

编辑信件的主要联系方式.
Email: vera@acs366.phys.msu.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы 1, стр. 2

П. Юлдашев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет,
Лаборатория медицинского и промышленного ультразвука

编辑信件的主要联系方式.
Email: petr@acs366.phys.msu.ru
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы 1, стр. 2

参考

  1. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань. (Обзор) // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 4. С. 437–464.
  2. Rosnitskiy P.B., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A. et al. Design of HIFU transducers for generating specified nonlinear ultrasound fields // IEEE Trans. Ultrason. Ferr. Freq. Control. 2016. V. 64. №. 2. P. 374–390.
  3. Швецов И.А., Щербинин С.А., Астафьев П.А., Мойса М.О., Рыбянец А.Н. Численное моделирование и оптимизация акустических полей и конструкций фокусирующих ультразвуковых преобразователей высокой интенсивности // Известия Росс. Акад. наук. Сер. физич. 2018. Т. 82. № 3. С. 355–358.
  4. Карзова М.М., Юлдашев П.В., Росницкий П.Б., Хохлова В.А. Численные подходы к описанию нелинейных ультразвуковых полей медицинских диагностических датчиков // Известия Росс. Акад. наук. Сер. физич. 2017. Т. 81. № 8. С. 927–931.
  5. Westervelt P.J. Parametric acoustic array // J. Acoust. Soc. Am. 1963. V. 35. №. 4. P. 535–537.
  6. Kreider W., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A., Farr N., Partanen A., Bailey M.R., Khokhlova V.A. Characterization of a multi-element clinical HIFU system using acoustic holography and nonlinear modeling // IEEE Trans. Ultrason. Ferr. Freq. Control. 2013. V. 60. №. 8. P. 1683–1698.
  7. Okita K., Ono K., Takagi S., Matsumoto Y. Development of high intensity focused ultrasound simulator for large-scale computing // Int. J. Numer. Meth. Fluids. 2010. V. 65. № 1– 3. P. 43–66.
  8. Ames W.F. Numerical methods for partial differential equations. Academic, San Diego, 3rd ed. 2014. P. 380.
  9. Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Моделирование трехмерных нелинейных полей ультразвуковых терапевтических решеток // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 3. С. 337–347.
  10. Bawiec C.R., Khokhlova T.D., Sapozhnikov O.A. et al. A prototype therapy system for boiling histotripsy in abdominal targets based on a 256-element spiral array // IEEE T. Ultrason. Ferr. 2021. V. 68. № 5. P. 1496–1510.
  11. Перепёлкин Е.Е., Садовников Б.И., Иноземцева Н.Г. Вычисления на графических процессорах (GPU) в задачах математической и теоретической физики. М.: Ленанд, 2014. 176 с.
  12. Коннова Е.О., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Использование графических ускорителей при моделировании нелинейных ультразвуковых пучков на основе уравнения Вестервельта // Известия Росс. Акад. наук. Сер. физич. 2021. Т. 85. № 6. С. 811–816.
  13. Аверьянов М.В. Экспериментальная и численная модель распространения нелинейных акустических сигналов в турбулентной атмосфере. Дисс. на соискание степ. канд. физ.-мат.наук. МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2008.
  14. Lee Y.-S., Hamilton M.F. Time-domain modeling of pulsed finite-amplitude sound beams // J. Acoust. Soc. Am. 1995. V. 97. № 2. P. 906–917.
  15. Kurganov A., Tadmor E. New high-resolution central schemes for nonlinear conservation laws and convection–diffusion equations // J. Comput. Phys. 2000. V. 160. № 1. P. 241–282.
  16. Кащеева С.С., Сапожников О.А., Хохлова В.А., Аверкью М.А., Крам Л.А. Нелинейное искажение и поглощение мощных акустических волн в среде со степенной зависимостью коэффициента поглощения от частоты // Акуст. журн. 2000. Т. 46. № 2. С. 211–219.
  17. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975. С. 288.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2.

下载 (271KB)
3.

下载 (144KB)
4.

下载 (40KB)
5.

下载 (189KB)
6.

下载 (80KB)
7.

下载 (77KB)

版权所有 © Е.О. Коннова, В.А. Хохлова, П.В. Юлдашев, 2023