-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, das zum Bestimmen einer Abbildung aus Messdaten einer Magnetresonanztomographie geeignet ist. Das Verfahren weist einen ersten Schritt auf, welcher für eine Mehrzahl an Teilmengen der Messdaten parallel in einer Mehrzahl von Instanzen ausführbar ist, wobei für die einzelnen Instanzen jeweils eigene Ressourcen allokiert werden. Eine Anwendung des Verfahrens auf anderen technischen Gebieten, in denen ebenfalls Berechnungen parallel auf Messwerte oder daraus bestimmten Daten erfolgen, ist ebenfalls denkbar.
-
Moderne Rechner weisen eine Vielzahl von Rechenkernen auf (multi-core Prozessoren). Um die Fähigkeiten dieser Prozessoren optimal auszunutzen, ist es daher wünschenswert, diese Rechenkerne durch parallele ablauffähige Prozesse, auch als Tasks oder Threads bezeichnet, möglichst gleichmäßig auszulasten. Da die Verfahren aus dem Stand der Technik ausgelegt sind, unabhängig von einer bestimmten Rechnerkonfiguration auf verschiedenen Rechnern mit verschiedenen Anzahlen von Rechenkernen ausführbar zu sein, ist diese Anzahl der parallel ablaufenden identischen Prozesse, auch als Instanzen eines Prozesses bezeichnet, üblicherweise durch das Verfahren nicht beschränkt.
-
Im Idealfall entspricht die Anzahl der parallel ablaufenden Prozesse der Anzahl der Rechenkerne, sodass jeder Rechenkern permanent mit einem Prozess ausgelastet ist. Werden jedoch mehr Prozesse bzw. Instanzen eines Prozesses ausgeführt, als Rechenkerne vorhanden sind, so tritt eine zusätzliche Rechenlast durch Wechsel der Prozesse an einem Rechenkern auf und die Effektivität sinkt wieder. Darüber hinaus belegt jede Instanz eines Prozesses weitere Ressourcen wie Speicher im Heap (Stapelspeicher) oder Stack (Kellerspeicher). Übersteigt der belegte Speicher den physikalisch vorhandenen Speicherplatz im schnellen Zwischenspeicher (Cache) oder Speicher mit wahlfreiem Zugriff (Random Access Memory, RAM), so müssen die Inhalte auf nach gelagerte, langsamere Speicher wie die Festplatte ausgelagert werden und die Leistungsfähigkeit des Rechners (Performance) bei der Ausführung der Prozesse nimmt ab.
-
Üblicherweise werden einzelne Aufgaben bei der Bestimmung einer Abbildung identifiziert, die unabhängig voneinander oder gleichzeitig auf unabhängige Datenmengen ausgeführt werden können und diese als Prozesse oder als mehrere Instanzen eines Prozesses in dem Verfahren parallel ausgeführt. Dabei ist es möglich, das Verfahren so auszulegen, dass immer nur eine bestimmte Anzahl von Aufrufen der Prozesse erfolgt und somit die Anzahl der Instanzen sowie die dafür reservierten Ressourcen begrenzt ist.
-
Bei der Bereitstellung derartiger Verfahren ist es jedoch auch wünschenswert, auf sogenannte Bibliotheken (Libraries) zurückzugreifen, die für bestimmte Aufgaben optimierte Prozesse bereitstellen. Beispiele dafür sind die „Multithreaded MKL Library“ von Intel oder „OpenMP“. Diese Bibliotheken sind jedoch gerade dafür ausgelegt, auf Rechnern mit beliebig vielen Rechenkernen lauffähig zu sein und begrenzen daher im internen Ablauf die Anzahl der Instanzen von Prozessen nicht. Werden diese Bibliotheken an verschiedenen Stellen im Ablauf des Verfahrens aufgerufen, so wird eine unkontrollierte Anzahl von Instanzen von Prozessen erzeugt und es kann zu einem Einbruch der Effizienz kommen.
-
Die Aufgabe ist es folglich, ein Verfahren bereitzustellen, das bei Verwendung von beliebigen Bibliotheken eine verbesserte Effizienz bietet.
-
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren weist einen zweiten Schritt auf, welcher vorbestimmte Ressourcen allokiert und eine maximale vorbestimmte Anzahl von Instanzen des ersten Schrittes unter Verwendung der vorbestimmten Ressourcen ausführt.
-
Auf vorteilhafte Weise begrenzt und kontrolliert das erfindungsgemäße Verfahren so die Anzahl der Instanzen des ersten Schrittes und der dafür reservierten Ressourcen. So kann auch bei Verwendung von allgemeinen Bibliotheken, aus denen der erste Schritt entnommen ist, sichergestellt werden, dass die Effizienz des Verfahrens nicht durch unbeschränkte Verwendung von Ressourcen verschlechtert wird.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 5 teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass Aufrufe des ersten Schritts durch Ausführen des zweiten Schritts erfolgen.
-
So ist es vorteilhafter Weise möglich, ohne Änderungen an den Bibliotheken die Ausführung des ersten Schrittes zu kontrollieren.
-
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es weiterhin denkbar, dass die Aufrufe des ersten Schritts nur durch Ausführen des zweiten Schritts erfolgen.
-
Auf diese Weise ist es möglich, die vollständige Kontrolle über Instanzen des ersten Schrittes durch das Verfahren sicherzustellen.
-
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es weiterhin denkbar, dass der zweite Schritt eine Warteschlange mit Einträgen der Aufrufe des ersten Schritts aufweist und die Aufrufe des ersten Schritts in der Reihenfolge der Einträge in der Warteschlange erfolgen.
-
Eine derartige Warteschlange ermöglicht es auf vorteilhafte Weise, dass das den zweiten Schritt aufrufende Verfahren nicht auf eine Ausführung des zweiten Schritts und des von ihm aufgerufenen ersten Schritts warten muss, sondern andere, davon unabhängige Schritte ausführen kann.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomographen;
-
2 einen schematischen Aufbau einer Steuerung;
-
3 ein Flussdiagramm für eine Ausführungsform eines Verfahrens aus dem Stand der Technik und
-
4 ein Flussdiagramm für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomographen 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Die Magneteinheit 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. Patienten 40 in einem Probevolumen erzeugt. Das Probevolumen ist in einer Durchführung 16 angeordnet, die sich in einer Längsrichtung 2 durch die Magneteinheit 10 erstreckt. Üblicherweise handelt es sich bei dem Feldmagneten 11 um einen supraleitenden Magneten, der magnetische Felder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 3T, bei neuesten Geräten sogar darüber, bereitstellen kann. Für geringere Feldstärken können jedoch auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit normalleitenden Spulen Verwendung finden.
-
Weiterhin weist die Magneteinheit 10 Gradientenspulen 12 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Probevolumen dem Magnetfeld B0 variable Magnetfelder in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen 12 sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Felder in dem Probevolumen erzeugen können.
-
Die Magneteinheit 10 weist ebenfalls eine Körperspule 14 auf, die dazu ausgelegt ist, ein über eine Signalleitung zugeführtes Hochfrequenzsignal in das Probevolumen abzustrahlen und von dem Patient 40 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über die Signalleitung abzugeben. Bevorzugter Weise wird aber die Körperspule 14 für das Aussenden des Hochfrequenzsignals und/oder das Empfangen durch lokale Spulen 15 ersetzt, die in der Durchführung 16 nahe am Patienten 40 angeordnet sind.
-
Eine Steuereinheit 20 versorgt die Magneteinheit 10 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 12 und die Körperspule 14 bzw. die lokalen Spulen 15 und wertet die empfangenen Signale aus.
-
So weist die Steuereinheit 20 eine Gradientenansteuerung 21 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 12 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder in dem Probevolumen bereitstellen.
-
Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Hochfrequenzeinheit 22 auf, die ausgelegt ist, einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude und spektraler Leistungsverteilung zur Anregung einer Magnetresonanz der Kernspins in dem Patienten 40 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden.
-
Die Hochfrequenzeinheit 22 ist auch dazu ausgelegt, von der Körperspule 14 oder einer lokalen Spule 15 empfangene und über eine Signalleitung 33 der Hochfrequenzeinheit 22 zugeführte Hochfrequenzsignale bezüglich Amplitude und Phase auszuwerten. Dabei handelt es sich insbesondere um Hochfrequenzsignale, welche Kernspins in dem Patienten 40 als Antwort auf die Anregung durch einen Hochfrequenz-Puls in dem Magnetfeld B0 bzw. in einem resultierenden Magnetfeld aus einer Überlagerung von B0 und Gradientenfeldern aussenden.
-
Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Steuerung 230 auf, welche dazu ausgelegt ist, die zeitliche Koordination der Aktivitäten der Gradientenansteuerung 21 und der Hochfrequenzeinheit 22 vorzunehmen. Dazu ist die Steuerung 230 mit den anderen Einheiten 21, 22 über einen Signalbus 25 verbunden und in Signalaustausch. Die Steuerung 230 ist dazu ausgelegt, von der Hochfrequenzeinheit 22 ausgewertete Signale aus dem Patienten 40 entgegenzunehmen und zu verarbeiten und/oder der Gradientenansteuerung 22 und der HF-Pulserzeugungseinheit 230 Puls- und Signalformen vorzugeben und zeitlich zu koordinieren.
-
Der Patient 40 ist auf einer Patientenliege 30 angeordnet. Diese Patientenliegen 30 sind bereits aus der Magnetresonanz-Tomographie bekannt. Die Patientenliege 30 weist eine erste Stütze 36 auf, die unter einem ersten Ende 31 der Patientenliege 30 angeordnet ist. Damit die Stütze 36 die Patientenliege 30 in einer waagerechten Lage halten kann, weist sie üblicherweise einen Fuß auf, der sich entlang der Patientenliege 30 erstreckt. Um die Patientenliege 30 zu bewegen, kann der Fuß auch Mittel zum Bewegen, wie Rollen, aufweisen. Zwischen dem Boden und der Patientenliege ist außer der Stütze 36 an dem ersten Ende 31 kein konstruktives Element angeordnet, sodass die Patientenliege bis zu dem ersten Ende 31 in die Durchführung 16 des Feldmagneten 11 eingeführt werden kann. In 1 sind Linearschienensysteme 34 dargestellt, die die Stütze 36 mit der Patientenliege 30 bewegbar verbinden, sodass die Patientenliege entlang der Längsrichtung 2 verfahren werden kann. Dazu weist das Linearschienensystem 34 einen Antrieb 37 auf, der es ermöglicht, von einer Bedienperson oder auch von der Steuerung 230 gesteuert die Patientenliege 30 in Längsrichtung 2 zu bewegen, sodass es auch möglich ist, Bereiche des Körpers des Patienten zu untersuchen, die größere Ausdehnung haben als das Probevolumen in der Durchführung 16.
-
2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Steuerung 230. Die Steuerung 230 weist mehrere Prozessoren 231 mit jeweils mehreren Rechenkernen 232 auf. Weiterhin sind die Prozessoren 231 mit einem Zwischenspeicher 233 versehen. Die Steuerung 230 weist weiterhin einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff 234 (RAM), einen Festspeicher 235 (ROM), einen Massenspeicher 236 und Schnittstellenmodule 237 auf.
-
Es ist aber auch möglich, dass die Steuerung 230 auch nur einen Prozessor 231 mit mehreren Rechenkernen 232 oder umgekehrt mehrere Prozessoren 231 mit jeweils einem Rechenkern 232 aufweisen. Ebenso ist es denkbar, dass jeweils einem Rechenkern 232 ein Zwischenspeicher 233 zugeordnet ist und/oder die Rechenkerne 232 einen gemeinsamen Zwischenspeicher 233 teilen.
-
Es ist auch denkbar, dass die Steuerung 230 aufgeteilt ist. Dabei können beispielsweise die zeitliche Koordination der Aktivitäten der Gradientenansteuerung 21 und der Hochfrequenzeinheit 22 als Teil der Steuereinheit 20 realisiert sein, während die Auswertung der Messsdaten und die Erzeugung einer Abbildung in einer ausgelagerten Einheit, die nicht integraler Teil des Magnetresonanz-Tomographen 1 ist, ausgeführt wird. Diese könnte dann beispielsweise über ein Schnittstellenmodul 237 und ein Netzwerk mit dem Magnetresonanz-Tomographen 1 in Signalverbindung stehen.
-
3 stellt einen Ablauf eines Verfahrens 100 aus dem Stand der Technik dar. Das Verfahren weist eine Abfolge von Schritten 101 bis 108 auf, die bei der Bearbeitung von Messdaten zur Erzeugung einer Abbildung nacheinander von links nach rechts ausgeführt werden. Einige der Schritte 105, 106 können gleichzeitig auf verschiedene Teilbereiche der Messdaten ausgeführt werden und sind deshalb mehrfach instanziiert. Oberhalb der Schritte 101 bis 108 sind die Aufrufe von Schritten 110, 111 dargestellt. Diese können beispielsweise Teil einer Bibliothek wie Intel Multithreaded MKL Library oder eines mit der Spracherweiterung OpenMP erzeugten OpenMP-Programms sein. Diese Schritte 110, 111 erzeugen selbst wieder mehrere Instanzen von Schritten. Die Anzahl der Thread-Instanzen 112 ist jeweils durch die Pfeilsymbole mit dem Referenzzeichen 112 symbolisiert. Im dargestellten Beispiel erzeugt jeder Aufruf eines Schritts 110, 111 einer Bibliothek jeweils wieder 4 Thread-Instanzen 112. Dabei können mehrere Schritte zusammengefasst und gemeinsam in einem Thread ausgeführt werden, wie jeweils durch die Rahmen 130 angedeutet ist. Durch den Aufruf des Schritts 110 in Schritt 106, der selbst wieder mehrfach ausgeführt wird, multipliziert sich die Anzahl der Instanzen von Schritt 110 mit 4 (Anzahl der Instanzen von Schritt 106) mal 4 (Anzahl der Instanzen von Schritt 110 je Aufruf) auf insgesamt 16.
-
4 stellt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 120 dar. Das Verfahren weist eine Abfolge von Schritten 101 bis 108 auf, die bei der Bearbeitung von Messdaten zur Erzeugung einer Abbildung nacheinander von links nach rechts ausgeführt werden. Einige der Schritte 105, 106 können gleichzeitig auf verschiedene Teilbereiche der Messdaten ausgeführt werden. Wie bereits erläutert, ist es wiederum möglich, dass mehrere Schritte 105, 106 gemeinsam in einem Tread ausgeführt werden, wie durch die Rahmen 130 angedeutet ist. Die entsprechenden Threads sind daher in den Thread-Instanzen 112 mehrfach instanziiert. Es ist dabei denkbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren noch weitere Schritte aufweist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren 120 unterscheidet sich von dem Verfahren 100 der 3 vor allem durch einen zweiten Schritt 121. Dieser wird im Folgenden auch als Separator 121 bezeichnet, da er die aufrufenden Schritte 102 bis 108 von den ersten Schritten 110, 111 der Bibliotheken X und Y trennt. Wenn einer dieser Schritte 102 bis 108 einen ersten Schritt 110, 111 aufruft, so tut er dies nicht direkt, sondern indem er den Separator 121 aufruft.
-
Der Separator 121 verwendet eigens für ihn allokierte Ressourcen, insbesondere wird er durch einen eigenen Thread ausgeführt, der vorzugsweise für die gesamte Lebensdauer des Separators 121 derselbe. In der Darstellung der 4 verfügt der Separator 121 für jeden der aufrufenden Schritte 102 bis 108 über einen eigenen passiven Sub-Thread 123, 124. Als Sub-Thread 123, 124 werden diese bezeichnet, weil sie nur auf die für den Separator 121 allokierten Ressourcen zugreifen und unter dessen Thread ausgeführt werden, weshalb sie auch als passiv bezeichnet werden. Da die Sub-Threads 123, 124 gemeinsam mit dem Separator 121 angelegt werden, ist es auch denkbar, diese als Teil des Separators 121 zu betrachten. Der Code der Sub-Threads 123, 124 wird vorzugsweise erst bei Bedarf in den Kontext des Threads geladen und ausgeführt. Es ist aber auch denkbar, dass diese die gleiche Lebensdauer wie der Separator 121 haben. Auch wäre es möglich, den Aufruf der ersten Schritte aus einer Bibliothek durch den Separator 121 auf andere Art zu gestalten, beispielsweise indem ein einzelner Sub-Thread 123 für Aufrufe aus allen Schritten 102 bis 108 gemeinsam genutzt wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Separator 121 eine Warteschlange 122 auf, in der die Aufrufe der ersten Schritte 123, 124 durch die Schritte 101 bis 108 in der Reihenfolge, in der sie eingehen, zwischengespeichert werden. Sobald wieder eine Instanz der ersten Schritte 110 bzw. 111 in dem Thread des Separators 121 frei ist, wird der nächste Aufruf durch die jeweiligen Schritte 102 bis 108 in der Warteschlange ausgeführt. Auf diese Weise wird eine vorgegebene Reihenfolge sichergestellt und die aufrufenden Schritte 102 bis 108 müssen die Reihenfolge nicht selbst überwachen.
-
Grundsätzlich ist es als eine Ausführungsform der Erfindung auch denkbar, den Sub-Thread 123 direkt aus einem der Schritte 102 bis 108 aufzurufen, wobei der Sub-Thread jeweils im Kontext des Threads des aufrufenden Schritts auszuführen wäre.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
