Sintesi della soluzione
Salute e scienze della vita
oneAPI Base Toolkit aiuta SonoScape
Ottimizza le prestazioni del suo S-Fetus 4.0
Assistente allo screening ostetrico
Guida per l'utente
oneAPI Base Toolkit aiuta SonoScape a ottimizzare le prestazioni del suo assistente per lo screening ostetrico S-Fetus 4.0
"Con il nostro impegno per la ricerca e sviluppo indipendente e l'innovazione delle apparecchiature mediche, SonoScape è lieta di affermare che la nostra tecnologia AI all'avanguardia, basata sull'architettura Intel® oneAPI, è stata in grado di realizzare il suo potenziale per servire le istituzioni mediche di tutto il mondo".
Feng Naizhang
Vicepresidente, SonoScape
Lo screening ostetrico è fondamentale per ridurre la mortalità materna e perinatale; tuttavia, i metodi di screening ostetrici convenzionali richiedono alti livelli di competenza medica e sono sia dispendiosi in termini di tempo che di manodopera. Per affrontare questi problemi, SonoScape ha lanciato un sistema di screening ostetrico intelligente basato sull'intelligenza artificiale (AI) e altre tecnologie. Il sistema automatizza l'output dei risultati dello screening attraverso il riconoscimento automatico della struttura, la misurazione, la classificazione e la diagnosi per migliorare significativamente l'efficienza e ridurre il carico di lavoro dei medici.¹
S-Fetus 4.0 Obstetric Screening Assistant 2 utilizza il deep learning per alimentare un modello di lavoro intelligente basato su scenari che consente ai medici di eseguire l'ecografia senza la necessità di controllare manualmente le apparecchiature e consente l'acquisizione dinamica in tempo reale di piani standard e la misurazione automatica della biometria fetale e indice di crescita, una novità nel settore. L'obiettivo di Sonoscape è semplificare i flussi di lavoro di screening ostetrici e facilitare l'assistenza ai pazienti. Per migliorare le sue prestazioni, SonoScape ha utilizzato Intel® oneAPI Base Toolkit per lo sviluppo e l'ottimizzazione di più architetture per velocizzare l'elaborazione dei dati multimodali. Grazie a una piattaforma basata sul processore Intel® Core™ i7, le prestazioni sono state aumentate di circa 20 volte 3 ottenendo al tempo stesso prestazioni di prezzo più elevate, scalabilità tra architetture e flessibilità.
Sfondo: Applicazioni e sfide dell'ecografia diagnostica negli esami ostetrici
L'ecografia diagnostica è una tecnica in cui gli ultrasuoni vengono utilizzati per misurare i dati e la morfologia della fisiologia o della struttura tissutale di un paziente per scoprire malattie e fornire indicazioni mediche. 4 Grazie alla sicurezza, alla non invasività, al rapporto costo-prestazioni, alla praticità, alla ripetibilità e all'ampia adattabilità, il mercato delle apparecchiature diagnostiche a ultrasuoni sta crescendo rapidamente. Secondo i dati di Fortune Business Insights, la dimensione del mercato globale delle apparecchiature diagnostiche a ultrasuoni era di 7.26 miliardi di dollari nel 2020 e si prevede che raggiungerà i 12.93 miliardi di dollari entro la fine del 2028, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 7.8%. . 5
Sebbene l'ecografia 2D sia indispensabile per la diagnosi delle malattie ostetriche e ginecologiche (soprattutto nei test fetali intrauterini), le tecniche ecografiche convenzionali dipendono fortemente dall'esperienza dell'ecografista. Poiché durante l'intero processo sono necessarie operazioni manuali dispendiose in termini di tempo e abilità, l'ecografia pone sfide agli ospedali nelle comunità più piccole e nelle aree meno sviluppate che hanno un accesso limitato alla tecnologia medica.
Per affrontare questi problemi, SonoScape ha sviluppato una soluzione ecografica diagnostica intelligente basata su tecnologie AI in grado di classificare, rilevare e segmentare una varietà di strutture anatomiche da immagini ecografiche attraverso algoritmi di deep learning rappresentati da reti neurali convoluzionali (CNN). 6 Tuttavia, l'attuale soluzione diagnostica a ultrasuoni deve affrontare diverse sfide:
- L'apparecchiatura richiede un'elevata quantità di intervento da parte dell'utente e presenta ritardi intrinseci, ad esempio quando l'operatore deve adattarsi a diverse procedure operative quando passa da una modalità all'altra.
- I requisiti di potenza di calcolo aumentano man mano che gli algoritmi di intelligenza artificiale crescono in complessità. Questi algoritmi utilizzano spesso acceleratori esterni, come le GPU, che aumentano i costi, consumano più energia e richiedono ulteriori test e certificazioni. L'ottimizzazione continua dell'IA per le migliori prestazioni e l'esperienza utente è diventata una sfida chiave.
SonoScape utilizza Intel oneAPI Base Toolkit per ottimizzare le prestazioni del suo Assistente di screening ostetrico S-Fetus 4.0
Assistente di screening ostetrico SonoScape S-Fetus 4.0
Sulla base della raccolta standardizzata e della misurazione delle sezioni di scansione ecografica, i medici possono utilizzare lo screening ostetrico per rilevare la maggior parte delle anomalie strutturali fetali. L'assistente di screening ostetrico S-Fetus 4.0 proprietario di SonoScape è la prima tecnologia di screening ostetrico intelligente disponibile a livello globale basata sul deep learning. In combinazione con le piattaforme ecografiche SonoScape P60 e S60, S-Fetus 4.0 è in grado di riconoscere in tempo reale le sezioni durante il processo di ecografia, l'acquisizione automatica delle sezioni standard, la misurazione automatica e l'inserimento automatico dei risultati nelle corrispondenti sezioni di crescita fetale del referto medico. Vantando la prima funzione di screening ostetrico intelligente del settore, S-Fetus 4.0 migliora significativamente i metodi convenzionali di interazione uomo-computer fornendo un modello di lavoro intelligente basato su scenari che consente ai medici di eseguire l'ecografia senza la necessità di controllare manualmente apparecchiature complesse, semplificando il processo dell'ecografia, migliorando l'efficienza e riducendo il carico di lavoro dell'ecografista. La funzione fornisce un efficace controllo di qualità front-end durante il processo ecografico, migliora la qualità dello screening e fornisce ulteriori dati guida in tempo reale per aiutare sia i medici che i pazienti.
Figura 1. Il dispositivo ostetrico professionale P60 di SonoScape dotato di S-Fetus 4.0
Utilizzando algoritmi di base, architettura originale e hardware multiarchitettura, S-Fetus 4.0 raggiunge una svolta tecnica fondamentale che fornisce una soluzione intelligente, basata su scenari, a processo completo e facilmente adottabile per migliorare l'efficienza del lavoro e la coerenza dei medici. Le funzioni complete basate su scenari assicurano che i medici non debbano passare dalla modalità manuale a quella intelligente per impostazione predefinita durante l'intero processo e che i referti possano essere completati con il semplice tocco di un dito.
Figura 2. Diagramma di processo dell'S-Fetus 4.0 Obstetric Screening Assistant
Il front-end di S-Fetus 4.0 genera dati multimodali in base ai requisiti dello scenario, mentre la post-elaborazione gestisce la ricostruzione, l'elaborazione e l'ottimizzazione. Lavorando su dati ricostruiti e ottimizzati, il modulo di riconoscimento e tracciamento AI in tempo reale analizza ed estrae superfici standard. In questo processo, il modulo standard per il processo decisionale e la spedizione della superficie segue una strategia predefinita per estrarre in modo adattivo le caratteristiche quantificate, quindi esegue l'analisi quantitativa e si integra automaticamente nelle operazioni successive.
Durante lo sviluppo, gli ingegneri SonoScape e Intel hanno collaborato per affrontare diverse sfide:
- Ulteriore ottimizzazione delle prestazioni. Molti algoritmi di deep learning rilevanti devono lavorare in tandem per elaborare rapidamente attività che utilizzano diversi tipi di dati e per eseguire in modo ottimale attività avviate dall'utente senza latenza. Ciò comporta una maggiore potenza di calcolo e requisiti di ottimizzazione degli algoritmi per le piattaforme a ultrasuoni.
- Richieste di applicazioni mobili. Il sistema diagnostico a ultrasuoni SonoScape con S-Fetus 4.0 Obstetric Screening Assistant è un sistema mobile con limiti di potenza complessiva
consumo e dimensioni del sistema, rendendo difficile l'utilizzo di GPU discrete. - Espansione tra architetture per diversi scenari. L'S-Fetus 4.0 Obstetric Screening Assistant deve supportare la migrazione e l'espansione su più architetture per operare in una varietà di scenari complessi.
Per risolvere queste sfide, SonoScape ha collaborato con Intel per ottimizzare le prestazioni dell'IA del suo assistente di screening ostetrico utilizzando Intel oneAPI Base Toolkit.
Toolkit Intel oneAPI
OneAPI è un modello di programmazione unificata intersettoriale, aperto e basato su standard che offre un'esperienza di sviluppo comune su tutte le architetture per prestazioni delle applicazioni più veloci, maggiore produttività e maggiore innovazione. L'iniziativa oneAPI incoraggia la collaborazione sulle specifiche comuni e sulle implementazioni oneAPI compatibili in tutto l'ecosistema.
Il modello è progettato per semplificare il processo di sviluppo su più architetture (come CPU, GPU, FPGA e altri acceleratori). Con un set completo di librerie e strumenti multiarchitettura, oneAPI aiuta gli sviluppatori a sviluppare codice performante in modo rapido e corretto in ambienti eterogenei.
Come mostrato nella Figura 3, il progetto oneAPI mira a sfruttare la ricca eredità di Inteltage di strumenti CPU ed espandi a XPU. Include un set completo di compilatori avanzati, librerie e strumenti di porting, analisi e debug. L'implementazione di riferimento di Intel di oneAPI è un set di toolkit. Intel oneAPI Base Toolkit for Native Code Developers è un set di base di strumenti ad alte prestazioni per la creazione di applicazioni C++, Data Parallel C++ e applicazioni basate su libreria oneAPI.
I carichi di lavoro delle applicazioni richiedono hardware diversificato
Figura 3. Toolkit di base Intel oneAPI
Intel oneAPI Base Toolkit aiuta SonoScape a ottimizzare le prestazioni del suo assistente di screening ostetrico
Dopo aver integrato Intel oneAPI Base Toolkit nel proprio sistema, SonoScape ha individuato diversi percorsi di ottimizzazione.
A livello hardware, la soluzione utilizza un'architettura di elaborazione basata su un processore Intel® Core™ i11 di undicesima generazione che offre prestazioni di esecuzione migliorate, presenta un nuovo core e un'architettura grafica e fornisce l'ottimizzazione basata sull'intelligenza artificiale per prestazioni eccellenti per vari carichi. Dotato della tecnologia Intel® Deep Learning Boost (Intel® DL Boost), il processore offre un forte supporto per i motori di intelligenza artificiale e prestazioni migliorate per carichi complessi come l'intelligenza artificiale e l'analisi dei dati.
I processori Intel Core di undicesima generazione hanno anche la grafica Intel® Iris® Xe integrata, consentendo ai carichi di lavoro di sfruttare questa GPU integrata. Può supportare un'ampia varietà di tipi di dati e presenta un'architettura a basso consumo.
Il flusso di elaborazione dei dati della soluzione è mostrato di seguito (Figura 4). Dotata di core ottimizzati per la gestione di carichi ad alta intensità di dati, la grafica Intel Iris Xe è responsabile dei processi di riconoscimento e tracciamento in tempo reale e della realizzazione di esecuzioni in tempo reale ad alta frequenza (ogni frame dell'immagine deve essere elaborato o dedotto in modo intelligente) .
Il processore Intel Core i7 gestisce il processo decisionale e la spedizione di superficie standard; estrazione di funzionalità di sezione adattiva, analisi quantitativa e altri processi; e l'esecuzione della logica operativa e dell'inferenza AI durante i tempi di inattività. Ad alta intensità di dati e responsabile dell'inferenza logica, il modulo di ottimizzazione ed elaborazione dei dati multimodali è stato ottimizzato in cinque aspetti chiave attraverso oneAPI Toolkit. Dopo l'ottimizzazione, l'assistente per lo screening ostetrico SonoScape può utilizzare in modo flessibile tutte le risorse CPU e iGPU, fornendo prestazioni migliorate per soddisfare le esigenze operative e migliorare l'esperienza del paziente.
SonoScape e Intel si sono concentrati sull'ottimizzazione e sul test delle prestazioni della seguente piattaforma:
Figura 4. Architettura dell'assistente di screening ostetrico SonoScape
Ottimizzazione completa delle prestazioni utilizzando gli strumenti software Intel
Ottimizzazione n. 1: in primo luogo, SonoScape ha utilizzato Intel® VTune™ Profiler per analizzare il proprio carico di lavoro. Il profiler può identificare rapidamente i colli di bottiglia delle prestazioni di carico di CPU e GPU e fornire informazioni pertinenti. Come mostrato nella figura seguente, l'elaborazione vettoriale sfrutta appieno l'elevato throughput di istruzioni di Intel e supporta l'elaborazione parallela dei dati per migliorare rapidamente le prestazioni rispetto alle operazioni scalari.
Figura 5. Elaborazione scalare rispetto all'elaborazione vettoriale
SonoScape ha anche utilizzato il compilatore DPC++ nel toolkit oneAPI per ricompilare il proprio codice e generare istruzioni vettoriali per migliorare le prestazioni, riducendo la velocità di elaborazione del carico di lavoro da 141 ms a soli 33 ms⁷.
Ottimizzazione n. 2. Una volta che i colli di bottiglia delle prestazioni sono stati identificati da VTune Profiler, SonoScape li ha sostituiti con le API di Intel® Integrated Performance Primitives
(Intel® IPP), una libreria di funzioni software multipiattaforma che include acceleratori per l'elaborazione delle immagini, l'elaborazione del segnale, la compressione dei dati, i meccanismi di crittografia e altre applicazioni. Intel IPP può essere ottimizzato per le CPU per sbloccare le funzionalità più recenti delle piattaforme di architettura Intel (come AVX-512) per migliorare le prestazioni delle applicazioni.
Per esempioample, le funzioni ippsCrossCorrNorm_32f e ippsDotProd_32f64f possono migliorare le prestazioni rimuovendo i calcoli dei cicli a doppio strato e i cicli di moltiplicazione/addizione. Grazie a tale ottimizzazione, SonoScape è stato in grado di migliorare ulteriormente la velocità di elaborazione del carico di lavoro da 33 ms a 13.787 ms⁷.
Ottimizzazione #3. Originariamente sviluppata da Intel, la Open Source Computer Vision Library (OpenCV) OpenCV può essere utilizzata per sviluppare programmi di elaborazione delle immagini in tempo reale, visione artificiale e riconoscimento di modelli e supporta l'utilizzo di Intel IPP per l'elaborazione accelerata⁸.
Sostituendo le funzioni OpenCV nel codice sorgente con le funzioni IPP, la soluzione scala bene in scenari di dati su larga scala e offre buone prestazioni su tutte le generazioni di piattaforme Intel.
Ottimizzazione #4. L'assistente per lo screening ostetrico S-Fetus 4.0 di Sonoscape utilizza anche lo strumento di compatibilità Intel® DPC++ per migrare in modo efficiente il codice CUDA esistente a DPC++, garantendo la compatibilità tra architetture e riducendo al minimo il tempo necessario per la migrazione. Come mostrato nella Figura 6, lo strumento fornisce potenti funzioni interattive per aiutare gli sviluppatori a migrare il codice CUDA, incluso il codice del kernel e le chiamate API. Lo strumento può migrare automaticamente l'80-90%⁹ del codice (a seconda della complessità) e incorpora commenti per aiutare gli sviluppatori a completare la fase manuale del processo di migrazione. In questo caso di studio, quasi il 100% del codice è stato migrato automaticamente in modo leggibile e utilizzabile.
Figura 6. Diagramma del flusso di lavoro dello strumento di compatibilità Intel DPC++
Una volta completate queste ottimizzazioni, le prestazioni di SonoScape S-Fetus 4.0 in esecuzione su una piattaforma eterogenea basata su Intel oneAPI DPC++ sono aumentate di quasi 20 volte rispetto ai dati sulle prestazioni di base registrati prima dell'ottimizzazione, come mostrato nella figura 7⁷.
Ottimizzazione del tempo del carico di lavoro multimodale (ms meno è meglio)Figura 7. Miglioramento delle prestazioni con Intel oneAPI Base Toolkit⁷
(Baseline: codice prima dell'ottimizzazione; Ottimizzazione 1: compilatore Intel oneAPI DPC++; Ottimizzazione 2: Intel IPP utilizzato per sostituire il codice sorgente del loop;
Ottimizzazione 3: Intel IPP utilizzato per sostituire le funzioni OpenCV; Ottimizzazione 4: esecuzione CPU + iGPU dopo la migrazione CUDA)
Risultato: prestazioni eccellenti e scalabilità CrossArchitecture
Utilizzando i processori Intel Core i7 con grafica Intel Iris Xe integrata per fornire la potenza di calcolo sottostante e la piattaforma eterogenea Intel oneAPI per l'ottimizzazione, l'assistente per lo screening ostetrico SonoScape è stato in grado di bilanciare prestazioni, convenienza e scalabilità su più piattaforme.
- Prestazione. Utilizzando Intel XPU e Intel oneAPI Toolkit, l'assistente per lo screening ostetrico SonoScape è stato in grado di ottenere prestazioni fino a 20 volte superiori rispetto a sistemi non ottimizzati, gettando una solida base per un'ecografia diagnostica ostetrica efficiente⁷.
- Risparmi. Eseguendo un'ottimizzazione completa e utilizzando le potenti prestazioni e l'architettura flessibile del processore Intel Core i7, SonoScape necessita solo di risorse CPU e iGPU per raggiungere i suoi obiettivi prestazionali. Queste semplificazioni hardware riducono le richieste di alimentazione, dissipazione del calore e spazio. La soluzione può ora essere montata su apparecchiature diagnostiche a ultrasuoni più piccole per opzioni di configurazione più flessibili. L'integrazione delle risorse CPU e iGPU fornisce anche una maggiore durata della batteria, oltre a una maggiore scalabilità e affidabilità.
- Scalabilità eterogenea. La soluzione supporta la programmazione unificata su hardware eterogeneo come CPU e iGPU, migliora l'efficienza di sviluppo della programmazione tra architetture e consente l'esecuzione flessibile di assistenti di screening ostetrico su diverse configurazioni hardware, il tutto garantendo un utente fluido
esperienza.
Prospettive: integrazione accelerata di intelligenza artificiale e applicazioni mediche
L'ecografia diagnostica intelligente è un'applicazione chiave dell'integrazione dell'intelligenza artificiale e delle tecnologie mediche che aiuta a ridurre i carichi di lavoro dei medici e a migliorare la velocità dei processi medici¹⁰. Per facilitare l'uso dell'intelligenza artificiale e delle applicazioni mediche, Intel collabora con partner come SonoScape per accelerare l'innovazione digitale attraverso l'architettura XPU composta da CPU, iGPU, acceleratori dedicati, FPGA e prodotti software e hardware come il modello di programmazione oneAPI nel industria medica.
“Intel® oneAPI Base Toolkit ci ha aiutato a ottimizzare i moduli chiave in modo efficiente, realizzando un aumento di 20 volte⁷ delle prestazioni e uno sviluppo unificato su piattaforme XPU con più architetture. Grazie alle tecnologie Intel, il nostro assistente per lo screening ostetrico ha raggiunto progressi in termini di prestazioni e scalabilità e ora può fornire un mezzo più efficiente di diagnosi ostetrica intelligente per aiutare le istituzioni mediche a passare dall'ecografia convenzionale all'ecografia intelligente e assistere i medici
in un lavoro preciso ed efficiente per migliorare i risultati dei pazienti.”
Zhou Guoyi
Responsabile del Centro di ricerca sull'innovazione medica SonoScape
Informazioni su SonoScape
Fondata nel 2002 a Shenzhen, in Cina, SonoScape si è impegnata a "prendersi cura della vita attraverso l'innovazione" fornendo soluzioni per ecografia ed endoscopia. Con un supporto continuo, SonoScape fornisce vendite e assistenza in tutto il mondo in più di 130 paesi, avvantaggiando ospedali e medici locali con prove diagnostiche di imaging complete e supporto tecnico. Investendo ogni anno il 20 percento del fatturato totale in ricerca e sviluppo, SonoScape ha continuamente introdotto sul mercato nuovi prodotti e tecnologie mediche ogni anno. Ora si espande in sette centri di ricerca e sviluppo a Shenzhen, Shanghai, Harbin, Wuhan, Tokyo, Seattle e nella Silicon Valley. Per ulteriori informazioni, visitare il nostro sito ufficiale websito www.sonoscape.com.
Informazioni su Intel
Intel (Nasdaq: INTC) è un leader del settore, che crea una tecnologia rivoluzionaria che consente il progresso globale e arricchisce la vita. Ispirati dalla legge di Moore, lavoriamo continuamente per far progredire la progettazione e la produzione di semiconduttori per aiutare ad affrontare le maggiori sfide dei nostri clienti. Incorporando l'intelligenza nel cloud, nella rete, nell'edge e in ogni tipo di dispositivo informatico, liberiamo il potenziale dei dati per trasformare in meglio il business e la società. Per saperne di più sulle innovazioni di Intel, vai a newsroom.intel.com E intel.com.
Soluzione fornita da:
- La richiesta di aumento dell'efficienza del 50% si basa sui dati di valutazione dopo la valutazione clinica di 18 medici di esperienza intermedia e senior in 5 strutture mediche dopo un periodo di 1 mese.
Riduzione del carico di lavoro dichiarato del 70% sulla base della valutazione dei passaggi necessari per completare il controllo medico utilizzando procedure operative standard rispetto a S-Fetus. - Per ulteriori informazioni su S-Fetus 4.0 Obstetric Screening Assistant, visitare il sito https://www.sonoscape.com/html/2020/exceed_0715/113.html
- Risultati dei test forniti da SonoScape. Configurazione di prova: processore Intel® Core™ i7-1185GRE a 2.80 GHz, scheda grafica Intel Iris® Xe a 1.35 GHz, 96EU, Ubuntu 20.04, compilatore Intel® oneAPI DPC++/C++, strumento di compatibilità Intel® DPC++, libreria Intel® oneAPI DPC++, Intel ® Prestazioni primitive integrate, Intel® VTune™ Profiler
- Wells, PNT, "Principi fisici della diagnosi ultrasonica". Ingegneria medica e biologica 8, n. 2 (1970): 219–219.
- https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/ultrasound-equipment-market-100515
- Shengfeng Liu, et al., “Apprendimento profondo nell'analisi degli ultrasuoni medici: A Review.” Ingegneria 5, n. 2 (2019): 261–275
- Risultati dei test forniti da SonoScape. Vedere backup per le configurazioni di test.
- https://en.wikipedia.org/wiki/OpenCV
- https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/technical/heterogeneous-programming-using-oneapi.html
- Luo, Dandan, et al., "Un approccio di scansione a ultrasuoni prenatale: tecnica one-touch nel secondo e terzo trimestre". Ecografia Med Biol. 47, n. 8 (2021): 2258–2265.
https://www.researchgate.net/publication/351951854_A_Prenatal_Ultrasound_Scanning_Approach_One-Touch_Technique_in_Second_and_Third_Trimesters
Backup
Test di SonoScape a partire dal 3 settembre 2021. Configurazione di test: processore Intel® Core™ i7-1185GRE a 2.80 GHz, con o senza scheda grafica Intel Iris® Xe a 1.35 GHz, 96EU, Ubuntu 20.04, Intel® oneAPI
Compilatore DPC++/C++, strumento di compatibilità Intel® DPC++, libreria Intel® oneAPI DPC++, Intel® Integrated Performance Primitives, Intel® VTune™ Profiler
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0422/EOH/MESH/PDF 350912-001US
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