專利名稱：一種用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，涉及一種用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的日益發(fā)展，人們可以從更微觀的角度如分子視角觀察人體的細(xì)微結(jié)構(gòu)或者跟蹤人體的代謝信息。這些影像技術(shù)是建立在探測(cè)器技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)之上的。另一方面，計(jì)算物理學(xué)的發(fā)展推動(dòng)并加速了物理學(xué)理論的工程化運(yùn)用。因此，在醫(yī)療器械的工程研發(fā)過(guò)程中引入計(jì)算物理學(xué)中的模擬計(jì)算手段可以獲得事半功倍的效果。發(fā)射斷層成像(包括PET和SPECT)以及單光子計(jì)數(shù)CT (Photon Counting CT)等現(xiàn)代醫(yī)療器械都是對(duì)特定能量范圍的光子的探測(cè)和統(tǒng)計(jì)等數(shù)理理論的工程化運(yùn)用。但是要實(shí)現(xiàn)數(shù)理理論為工程設(shè)計(jì)服務(wù)，就需要選擇并優(yōu)化計(jì)算機(jī)模擬工具，滿足工程設(shè)計(jì)的要求， 具備匹敵大中型計(jì)算機(jī)的計(jì)算規(guī)模和能力。目前，關(guān)于PET系統(tǒng)的研發(fā)，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有商業(yè)化的產(chǎn)品，而國(guó)際上被PHILIPS、 SIEMENS、GE三大公司所壟斷。就三大公司而言，目前對(duì)于PET系統(tǒng)的模擬僅僅是用來(lái)驗(yàn)證實(shí)際系統(tǒng)，而并非用模擬數(shù)據(jù)引導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的研發(fā)，因此，現(xiàn)有模擬規(guī)模較小，模擬的方式和工具也是內(nèi)部獨(dú)享、各自為營(yíng)的。另一方面，工程化的應(yīng)用需要強(qiáng)大的運(yùn)算量配合，而大計(jì)算量必然存在很多需要解決的問(wèn)題，比如數(shù)據(jù)流程的速度和格式的匹配等等，這正是模擬系統(tǒng)急需解決的問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案。一種用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，所述系統(tǒng)為Host-Client結(jié)構(gòu)，包括用以分配和控制計(jì)算任務(wù)的Host端和至少2個(gè)用以接收計(jì)算任務(wù)進(jìn)行運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果上傳給所述Host端進(jìn)行處理的Client節(jié)點(diǎn)，每個(gè)Client節(jié)點(diǎn)分別與所述Host端相連。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述Host端為單Host結(jié)構(gòu)或雙Host結(jié)構(gòu)。作為本實(shí)用新型的另一種優(yōu)選方案，所述Host為單路雙核CPU結(jié)構(gòu)。作為本實(shí)用新型的再一種優(yōu)選方案，所述Host端為塔式服務(wù)器結(jié)構(gòu)。作為本實(shí)用新型的再一種優(yōu)選方案，所述Host端包括分配管理服務(wù)器，輸入設(shè)備，顯示器，千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備；所述輸入設(shè)備與所述分配管理服務(wù)器相連； 所述顯示器與所述分配管理服務(wù)器相連；所述千兆以太網(wǎng)交換機(jī)與所述分配管理服務(wù)器和全部Client節(jié)點(diǎn)相連；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備與所述千兆以太網(wǎng)交換機(jī)相連。作為本實(shí)用新型的再一種優(yōu)選方案，所述Client節(jié)點(diǎn)為4核CPU。[0014]作為本實(shí)用新型的再一種優(yōu)選方案，所述Client節(jié)點(diǎn)采用IU機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)。作為本實(shí)用新型的再一種優(yōu)選方案，所述Client節(jié)點(diǎn)為雙路八核心結(jié)構(gòu)。作為本實(shí)用新型的再一種優(yōu)選方案，所述Client節(jié)點(diǎn)配有校驗(yàn)內(nèi)存。作為本實(shí)用新型的再一種優(yōu)選方案，所述Client節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以星型結(jié)構(gòu)相連。本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型以集群方式搭建計(jì)算系統(tǒng)，獲得強(qiáng)大的計(jì)算能力，且還可以根據(jù)需要隨時(shí)擴(kuò)充；此外，選擇IU以及標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架搭設(shè)，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省機(jī)房的擺放空間；同時(shí)協(xié)調(diào)了各計(jì)算軟件之間的配合，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理流程鏈、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸、并行任務(wù)的控制和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的模擬。

圖1為本實(shí)用新型所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型所述的Client節(jié)點(diǎn)采用IU機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為本實(shí)用新型在模式1下的工作流程圖；圖4為本實(shí)用新型在模式2下的工作流程圖；圖5為本實(shí)用新型所述的模擬計(jì)算集群系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的功能對(duì)照示意圖。
具體實(shí)施方式
為了滿足工程指導(dǎo)上的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)要求的龐大計(jì)算量，本實(shí)用新型提出了一套核醫(yī)學(xué)用蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，目的是以集群的方式獲得匹敵大中型計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，進(jìn)而獲得近似真實(shí)的模擬數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)以及數(shù)據(jù)支持。本實(shí)用新型在挑選、修改、優(yōu)化和集成了一部分高能物理模擬工具以及一部分工具對(duì)應(yīng)的核醫(yī)學(xué)應(yīng)用包的基礎(chǔ)上，從集群運(yùn)算和蒙卡模擬運(yùn)算的特點(diǎn)出發(fā)，選擇和優(yōu)化了集群運(yùn)算的任務(wù)管理模式，最終，實(shí)現(xiàn)了指導(dǎo)醫(yī)療器械的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供模擬數(shù)據(jù)，預(yù)估系統(tǒng)性能、縮短研發(fā)時(shí)間等功能。本模特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)定名為AURA。AURA是在粒子交互作用模擬的基礎(chǔ)上逐層搭建起來(lái)的模擬環(huán)境，因此不同層次結(jié)構(gòu)上的模擬對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的不同研發(fā)階段有著不同的指導(dǎo)意義。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例本實(shí)施例提供一種用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)為Host-Client結(jié)構(gòu)，包括Host端和至少2個(gè)Client節(jié)點(diǎn)。所述Host端主要進(jìn)行任務(wù)的分配和控制，并不參與運(yùn)算，因此主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是獲得舒適的人機(jī)界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)調(diào)控能力。所述Host端包括分配管理服務(wù)器，輸入設(shè)備， 顯示器，千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備；所述分配管理服務(wù)器用以分配和控制計(jì)算任務(wù)；所述輸入設(shè)備與所述分配管理服務(wù)器相連，用以向分配管理服務(wù)器輸入分配指令；所述顯示器與所述分配管理服務(wù)器相連，用以顯示人機(jī)交互界面；所述千兆以太網(wǎng)交換機(jī)與所述分配管理服務(wù)器和全部Client節(jié)點(diǎn)相連，用以將計(jì)算任務(wù)分發(fā)給相應(yīng)的Client節(jié)點(diǎn)；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備與所述千兆以太網(wǎng)交換機(jī)相連，用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。所述Host端為單Host 結(jié)構(gòu)、雙Host結(jié)構(gòu)、或塔式服務(wù)器結(jié)構(gòu)。所述Host為單路雙核CPU結(jié)構(gòu)。 每個(gè)Client節(jié)點(diǎn)分別與所述Host端相連，用以接收所述Host端分配給自身節(jié)點(diǎn)的計(jì)算任務(wù)，進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果上傳給所述Host端進(jìn)行處理。所述Client節(jié)點(diǎn)配有校驗(yàn)內(nèi)存。所述Client節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以星型結(jié)構(gòu)相連。從節(jié)約空間以及溫度、濕度、 噪聲控制等集約化管理的角度出發(fā)，所述Client節(jié)點(diǎn)采用IU機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)，如圖2所示，并與Host主機(jī)隔離安置在機(jī)房環(huán)境中。所述Client節(jié)點(diǎn)為雙路八核心結(jié)構(gòu)、或4核 CPU。本實(shí)用新型所述的AURA集群系統(tǒng)擁有兩種工作模式，在不同的模式下，各模塊所起的作用是不同的。模式1該模式提供了腳本化的支持，使用者不必編制具體的計(jì)算程序也不需要掌握并行計(jì)算編程接口，只需要用簡(jiǎn)單的腳本化控制即可完成數(shù)據(jù)任務(wù)的劃分、分配、匯總、計(jì)算結(jié)果分析等一次斷層成像并行模擬計(jì)算的完整流程，具體工作流程如圖3所示。模式2該模式利用MPICH2并行計(jì)算編程接口提供了并行計(jì)算的可編程環(huán)境，并提供 GATE、ROOT、GEANT4、CLHEP等運(yùn)行庫(kù)的支持，可以實(shí)現(xiàn)較為自由的并行運(yùn)算程序，但對(duì)操作者有較高的要求，需要操作者掌握底層的開發(fā)語(yǔ)言、MPI并行計(jì)算編程等等，具體工作流程如圖4所示。模式2主要是針對(duì)一些模式1無(wú)法完成的工作，由較高水平的操作者進(jìn)行完成。本實(shí)用新型以集群方式搭建計(jì)算系統(tǒng)，獲得強(qiáng)大的計(jì)算能力，且還可以根據(jù)需要隨時(shí)擴(kuò)充，其與實(shí)際系統(tǒng)的功能對(duì)照如圖5所示；此外，本實(shí)用新型選擇IU以及標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架搭設(shè)，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省機(jī)房的擺放空間。本實(shí)用新型協(xié)調(diào)了各計(jì)算軟件之間的配合，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理流程鏈、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸、并行任務(wù)的控制和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的模擬。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1.建立在科學(xué)的計(jì)算軟件基礎(chǔ)上，能夠提供真實(shí)的數(shù)據(jù)以指導(dǎo)真實(shí)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程，少走彎路，縮短研發(fā)周期；2.龐大的計(jì)算功能將計(jì)算時(shí)間控制在工程設(shè)計(jì)可以接受的范圍內(nèi)，及時(shí)的提供具有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)；3.具有兩種工作模式，既可以提供簡(jiǎn)單、快速的模擬操作，也可以提供深入、細(xì)致的模擬操作，以面對(duì)不同的需要；4.可以實(shí)現(xiàn)層次化的模擬，對(duì)研發(fā)的各個(gè)方面提供不同意義的指導(dǎo)和驗(yàn)證。本實(shí)用新型的特點(diǎn)是1.目前，PET系統(tǒng)的研發(fā)，國(guó)內(nèi)沒(méi)有商業(yè)化的產(chǎn)品，而國(guó)際上，為PHILIPS、 SIEMENS、GE三大公司所壟斷。就三大公司而言，目前對(duì)于PET系統(tǒng)模擬僅僅是用來(lái)驗(yàn)證實(shí)際系統(tǒng)而并非用模擬數(shù)據(jù)引導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的研發(fā)，因此，模擬往往規(guī)模較小，模擬的方式和工具也是內(nèi)部獨(dú)享、各自為營(yíng)的。2.本發(fā)明中的一些高能物理工具原本用于物理基礎(chǔ)研究，并非為工程化研發(fā)任務(wù)服務(wù)，本發(fā)明在選擇和集成這些計(jì)算軟件的同時(shí)，從整體系統(tǒng)的角度，選擇和優(yōu)化了計(jì)算工具，完善了數(shù)據(jù)處理流程鏈，最終實(shí)現(xiàn)了這些物理研究工具的工程化應(yīng)用。3.本發(fā)明對(duì)于并行計(jì)算任務(wù)的預(yù)分割和合并任務(wù)采用GATE自帶的Jobspliter和 fiIemerger工具實(shí)現(xiàn)。其中Jobspliter為任務(wù)分割工具，對(duì)總?cè)蝿?wù)按照時(shí)間進(jìn)行分割，同時(shí)為這些任務(wù)生成random seeds以保證隨機(jī)數(shù)序列與未分割狀況下進(jìn)行計(jì)算相一致。計(jì)算結(jié)果經(jīng)filemerger合并后分析或者直接分析。4.本發(fā)明采用TORQUE工具將分割后的任務(wù)均勻地分配到集群的每個(gè)計(jì)算核心上，同時(shí)平衡各計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載平衡，隨時(shí)監(jiān)視集群中空閑的運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度和分配。與目前較通用的OpenPBS工具不同，TORQUE可以在以下幾點(diǎn)提高對(duì)于任務(wù)的分配與管理4. 1支持在腳本中實(shí)現(xiàn)對(duì)于運(yùn)算節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)與管理，提高了腳本編寫的容錯(cuò)能力；4. 2在查詢界面提供更加詳細(xì)和精確的進(jìn)度信息；4. 3在控制界面上，允許操作員查看每個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算任務(wù)的屬性并且加以控制；4. 4允許對(duì)于已完成的子任務(wù)搜集統(tǒng)計(jì)信息；4. 5可以控制超過(guò)2500個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)；5.由于工程化的應(yīng)用需要強(qiáng)大運(yùn)算量配合，這是用來(lái)驗(yàn)證或者研究的模擬系統(tǒng)沒(méi)有面對(duì)的問(wèn)題，而大計(jì)算量必然帶來(lái)很多問(wèn)題需要解決，比如數(shù)據(jù)流程的速度和格式匹配問(wèn)題等等，本發(fā)明從應(yīng)用需求出發(fā)，在解決這些問(wèn)題的基礎(chǔ)上，選擇合適的硬件和網(wǎng)絡(luò)方案，搭建出滿足我們研發(fā)需求的模擬系統(tǒng)。6.本發(fā)明協(xié)調(diào)了各計(jì)算軟件之間的配合，設(shè)計(jì)和優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理流程鏈、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方案、并行任務(wù)控制和調(diào)度方案，以實(shí)現(xiàn)了整個(gè)模擬系統(tǒng)。這里本實(shí)用新型的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的，并非想將本實(shí)用新型的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本實(shí)用新型的精神或本質(zhì)特征的情況下，本實(shí)用新型可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例， 以及用其他元件、材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求1.一種用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)為 Host-Client結(jié)構(gòu)，包括用以分配和控制計(jì)算任務(wù)的Host端和至少2個(gè)用以接收計(jì)算任務(wù)進(jìn)行運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果上傳給所述Host端進(jìn)行處理的Client節(jié)點(diǎn)，每個(gè)Client節(jié)點(diǎn)分別與所述Host端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于 所述Host端為單Host結(jié)構(gòu)或雙Host結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于 所述Host端為單路雙核CPU結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于 所述Host端為塔式服務(wù)器結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于， 所述Host端包括分配管理服務(wù)器，輸入設(shè)備，顯示器，千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備； 所述輸入設(shè)備與所述分配管理服務(wù)器相連；所述顯示器與所述分配管理服務(wù)器相連；所述千兆以太網(wǎng)交換機(jī)與所述分配管理服務(wù)器和全部Client節(jié)點(diǎn)相連；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備與所述千兆以太網(wǎng)交換機(jī)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于 所述Client節(jié)點(diǎn)為4核CPU。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于 所述Client節(jié)點(diǎn)采用IU機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于 所述Client節(jié)點(diǎn)為雙路八核心結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于 所述Client節(jié)點(diǎn)配有校驗(yàn)內(nèi)存。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，其特征在于 所述Client節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以星型結(jié)構(gòu)相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于斷層成像的蒙特卡羅模擬計(jì)算集群系統(tǒng)，所述系統(tǒng)為Host-Client結(jié)構(gòu)，包括用以分配和控制計(jì)算任務(wù)的Host端和至少2個(gè)用以接收計(jì)算任務(wù)進(jìn)行運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果上傳給所述Host端進(jìn)行處理的Client節(jié)點(diǎn)，每個(gè)Client節(jié)點(diǎn)分別與所述Host端相連。本實(shí)用新型以集群方式搭建計(jì)算系統(tǒng)，獲得強(qiáng)大的計(jì)算能力，且還可以根據(jù)需要隨時(shí)擴(kuò)充；此外，選擇1U以及標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架搭設(shè)，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省機(jī)房的擺放空間；同時(shí)協(xié)調(diào)了各計(jì)算軟件之間的配合，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理流程鏈、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸、并行任務(wù)的控制和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的模擬。
文檔編號(hào)H04L29/08GK202003354SQ201020661889
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者張輝, 王之光, 謝舒平 申請(qǐng)人:上海生物醫(yī)學(xué)工程研究中心