UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERO TÉCNICO DE TELECOMUNICACIÓN TELEMÁTICA “ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS EN RESONANCIA MAGNÉTICA DE DIFUSIÓN SOBRE GPU” Autor: Silvia Pedrón Hermosa Tutor: Federico Simmross Wattenberg, Santiago Aja Fernández Septiembre de 2015 PROYECTO FIN DE CARRERA Ingeniería Técnica de Telecomunicación, Telemática 2 | P á g i n a “Procesado de Imagen por Resonancia Magnética con Tensores de Difusión implementado sobre GPU en OpenCL” Título: Estimación de parámetros en Resonancia Magnética de Difusión sobre GPU Autor: Silvia Pedrón Hermosa Tutores: Federico Simmross Wattenberg Santiago Aja Fernández Departamentos: Ingeniería Telemática Teoría de la Señal y Comunicaciones Miembros del tribunal Presidente: Carlos Alberola López Secretario: Federico Simmross Wattenberg Vocal: Santiago Aja Fernández Suplente: Marcos Martín Fernández Fecha de lectura: 11 de Septiembre de 2015 Calificación: P á g i n a | 3 PROYECTO FIN DE CARRERA Ingeniería Técnica de Telecomunicación, Telemática 4 | P á g i n a “Procesado de Imagen por Resonancia Magnética con Tensores de Difusión implementado sobre GPU en OpenCL” ÍNDICE GENERAL Índice General ........................................................................................................................................................ 5 Índice de Figuras ................................................................................................................................................... 9 Índice de Tablas ................................................................................................................................................... 11 Índice de Ecuaciones ......................................................................................................................................... 13 Índice de Códigos ................................................................................................................................................ 15 Agradecimientos ................................................................................................................................................. 17 Resumen ................................................................................................................................................................. 19 Abstract ................................................................................................................................................................... 21 1. Introducción ................................................................................................................................................ 23 1.1. Objetivos ............................................................................................................................... 25 1.2. Fases y métodos................................................................................................................. 26 1.3. Medios ................................................................................................................................... 27 2. Arquitecturas orientadas al procesamiento gráfico ................................................................... 29 2.1. Evolución de las tarjetas gráficas ............................................................................... 29 2.1.1. Primera etapa: Resoluciones y colores ............................................................. 29 2.1.2. Segunda etapa: Aceleradoras 3D ......................................................................... 32 2.1.3. Tercera etapa: Programables ................................................................................ 33 2.2. Arquitecturas Hardware: CPU y GPU ........................................................................ 35 2.3. Arquitectura de una GPU ............................................................................................... 39 2.3.1. Evolución de aplicaciones gráficas ..................................................................... 39 P á g i n a | 5 PROYECTO FIN DE CARRERA Ingeniería Técnica de Telecomunicación, Telemática 2.3.2. Pipeline – Funcionamiento básico de GPU ....................................................... 41 2.3.3. GPGPU ............................................................................................................................. 44 2.3.4. Características de la tarjeta gráfica .................................................................... 46 3. Diffusion Magnetic resonance imaginG (DMRI) ........................................................................... 49 3.1. Principio físico .................................................................................................................... 49 3.2. DWI ......................................................................................................................................... 52 3.3. Procesado de DTI (Diffusion tensor imaging) ........................................................ 56 3.3.1. Interpretación de los datos del tensor .............................................................. 56 3.3.2. Estimación de tensores ........................................................................................... 59 3.3.3. Visualización bidimensional y reconstrucción de las fibras .................... 60 3.4. Análisis de la materia blanca con DTI ....................................................................... 63 3.4.1. VBM (Voxel – Based Morphometry) .................................................................. 64 3.4.2. TBSS (Tract-Based Spatial Statics) ..................................................................... 65 4. Análisis de los Modelos de programación para GPGPU............................................................. 69 4.1. Arquitectura CUDA ........................................................................................................... 69 4.1.1. Un coprocesador multi-hilo ................................................................................... 71 4.1.2. Agrupación de hilos .................................................................................................. 72 4.1.3. Modelo de memoria .................................................................................................. 74 4.1.4. Gestión de kernels y organización de flujos.................................................... 75 4.2. Arquitectura de OpenCL ................................................................................................. 77 4.2.1. Arquitectura conceptual ......................................................................................... 77 4.2.2. Modelo de paralelismo a nivel de datos ........................................................... 78 4.2.3. Modelo de memoria .................................................................................................. 79 4.2.4. Gestión de kernels y dispositivos ......................................................................... 81 4.3. CUDA vs OpenCL ................................................................................................................ 82 5. Análisis de la aplicación .......................................................................................................................... 85 5.1. Mínimos cuadrados .......................................................................................................... 85 5.2. Desarrollo de la secuencia de Stejskal - Tanner ................................................... 86 6. Diseño e implementación ...................................................................................................................... 89 6.1. Cabecera................................................................................................................................ 89 6.1.1. Type ................................................................................................................................. 89 6.1.2. Dimension ...................................................................................................................... 90 6 | P á g i n a “Procesado de Imagen por Resonancia Magnética con Tensores de Difusión implementado sobre GPU en OpenCL” 6.1.3. Space................................................................................................................................ 90 6.1.4. Sizes ................................................................................................................................. 90 6.1.5. Thicknesses .................................................................................................................... 90 6.1.6. Kinds ................................................................................................................................ 90 6.1.7. Endian ............................................................................................................................. 91 6.1.8. Encoding ........................................................................................................................ 91 6.1.9. Data file .......................................................................................................................... 91 6.1.10. Modality ....................................................................................................................... 91 6.1.11. DWMRI_b-value .......................................................................................................