“隨著智慧醫(yī)院建設(shè)的推進(jìn)，PACS/RIS系統(tǒng)正在承載著越來越多的影像數(shù)據(jù)，并融合了三維可視化、AI等創(chuàng)新技術(shù)，這對(duì)于系統(tǒng)性能帶來了極高的要求。新一代系統(tǒng)通過采用英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，并進(jìn)行軟件優(yōu)化，我們有效了提升了系統(tǒng)性能，在此基礎(chǔ)上，我們將以一體化、智能化、專科化為理念，以PACS/RIS產(chǎn)品能力為核心向外延伸，構(gòu)建智慧醫(yī)學(xué)影像解決方案?！?/p>

概 述

醫(yī)學(xué)影像不僅是臨床診斷的重要依據(jù)、醫(yī)學(xué)決策的重要指導(dǎo)，同時(shí)也有助于幫助患者消除不確定性，提升護(hù)理質(zhì)量。近年來，基于人工智能(AI)、三維可視化等技術(shù)的智慧醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，相較于傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)，其能夠顯著提升醫(yī)學(xué)影像的質(zhì)量，運(yùn)用智能技術(shù)優(yōu)化預(yù)約、候診、檢查、結(jié)果發(fā)放等流程，從而輔助醫(yī)生提高醫(yī)生工作效率、降低患者的等待時(shí)間并提升患者體驗(yàn)。

東軟推出了基于英特爾架構(gòu)的智慧醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)PACS/RIS，該系統(tǒng)提供了覆蓋檢查預(yù)約、到診排隊(duì)、用藥管理、檢查管理、影像診斷等在內(nèi)的一體融合全醫(yī)學(xué)影像管理能力，可輔助醫(yī)生更好地開展工作。在新一代的PACS/RIS產(chǎn)品中，東軟擴(kuò)展了AI與可視化等高級(jí)能力，并利用第五代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器支持三維可視化應(yīng)用，利用英特爾 高級(jí)矩陣擴(kuò)展（英特爾AMX）及英特爾發(fā)行版OpenVINO工具套件加速AI推理，助力醫(yī)院構(gòu)建高性能、高可擴(kuò)展的影像系統(tǒng)。

背景：醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)的三維可視化、智能化轉(zhuǎn)型

通過醫(yī)學(xué)影像的三維可視化處理，并融合影像分析、影像重建等技術(shù)，醫(yī)務(wù)人員可以通過圖像增強(qiáng)、分割、量化、放大縮小、旋轉(zhuǎn)觀察等方式，從多角度清晰了解到醫(yī)學(xué)影像中各結(jié)構(gòu)之間的空間位置關(guān)系，在疾病診斷的可視化、術(shù)前評(píng)估、手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)實(shí)時(shí)指導(dǎo)等方面發(fā)揮重要價(jià)值。

融入AI技術(shù)的PACS/RIS系統(tǒng)能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)影像提供智能診斷、質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)化報(bào)告等能力的支撐，可幫助降低對(duì)于智能醫(yī)學(xué)影像檢查設(shè)備的依賴，不僅能夠?yàn)獒t(yī)務(wù)人員提供智能診斷建議，而且還有助于提供結(jié)構(gòu)化的知識(shí)庫(kù)，用于質(zhì)控、科研和教學(xué)工作等環(huán)節(jié)中。

基于三維可視化和智能化的新一代PACS/RIS系統(tǒng)為智慧醫(yī)院的構(gòu)建提供了有力支撐，但同時(shí)也在算力、成本等層面帶來相應(yīng)挑戰(zhàn)。

?三維可視化、AI推理等工作負(fù)載會(huì)帶來巨大的性能開銷，未經(jīng)過專門優(yōu)化的算力平臺(tái)很難滿足上述負(fù)載在吞吐、時(shí)延等方面的要求，因此采用更高性能，且面向AI優(yōu)化的新一代算力平臺(tái)勢(shì)在必行。

?在CPU與GPU的選擇方面，GPU在性能方面通常具備一定的優(yōu)勢(shì)，但是會(huì)帶來額外的成本。因此，在成本敏感的場(chǎng)景，部署面向AI推理進(jìn)行優(yōu)化的新一代CPU有助于降低成本；同時(shí)，部分PACS/RIS場(chǎng)景的AI推理具備批處理特性，對(duì)AI推理時(shí)延性能不敏感，適合采用CPU進(jìn)行推理。

在此背景下，東軟智慧醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)PACS/RIS希望采用基于CPU的方案，運(yùn)行三維可視化、AI推理等工作負(fù)載，并通過指令集、軟件等方式進(jìn)行性能優(yōu)化，在滿足性能需求的同時(shí)，提升系統(tǒng)整體的靈活性并降低總體擁有成本(TCO)。

采用英特爾技術(shù)加速PACS/RIS新型工作負(fù)載運(yùn)行

東軟智慧醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)PACS/RIS推薦采用基于第五代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器的基礎(chǔ)設(shè)施。除了支持?jǐn)?shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析等負(fù)載之外，東軟還利用第五代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器的指令集、英特爾AMX，以及OpenVINO工具套件加速三維可視化、AI推理等新型負(fù)載。

第五代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器擁有更可靠的性能，更出色的能效。它在運(yùn)行各種工作負(fù)載時(shí)均可實(shí)現(xiàn)顯著的每瓦性能增益，在AI、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和科學(xué)計(jì)算的性能和總體擁有成本(TCO)方面亦有更出色的表現(xiàn)。相較上一代產(chǎn)品，第五代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器可在相同功耗范圍內(nèi)提供更高的算力和更快的內(nèi)存。此外，它與上一代產(chǎn)品的軟件和平臺(tái)兼容，因此部署新系統(tǒng)時(shí)可大大減少測(cè)試和驗(yàn)證工作。

圖1.第五代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器具備更強(qiáng)大性能

三維可視化效率提升2.45倍6

東軟智慧醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)PACS/RIS的三維可視化模塊主要采用了體渲染(Volume Rendering)技術(shù)，并采用OpenMP與Streaming SIMD Extensions4(SSE4)指令集支持光線合成的實(shí)現(xiàn)。SSE4指令集除擴(kuò)展Intel64指令集架構(gòu)外，還加入有關(guān)圖形、視頻編碼及處理、三維成像及游戲應(yīng)用等指令，令涉及音頻、圖像和數(shù)據(jù)壓縮算法的應(yīng)用程序大幅受益。在執(zhí)行三維可視化任務(wù)時(shí)，東軟發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)品在部分應(yīng)用中的性能明顯不足。為了化解瓶頸，東軟基于IntelVTuneProfiler，確定了瓶頸函數(shù)SafeGradz，該函數(shù)主要利用SSE4指令集進(jìn)行三線性插值從而實(shí)現(xiàn)光線上點(diǎn)的梯度計(jì)算，通過對(duì)于該函數(shù)的代碼進(jìn)行優(yōu)化，東軟提升了三維可視化應(yīng)用的性能。

東軟測(cè)試了在不同英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器上，PACS/RIS系統(tǒng)的三維重建應(yīng)用的運(yùn)行效率。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2所示，在處理器開通4并發(fā)8線程時(shí)，英特爾至強(qiáng)鉑金8592+處理器（第五代）的性能相較于英特爾至強(qiáng)金牌6430處理器（第四代）和英特爾至強(qiáng)銀牌4210R處理器（第二代）均有明顯提升，其中相比第二代的提升幅度高達(dá)2.45倍7。

圖2.PACS/RIS系統(tǒng)的三維重建應(yīng)用運(yùn)行效率比較

AI推理性能提升高達(dá)8.49倍8

東軟智慧醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)PACS/RIS融合了廣泛的AI算法，以提供AI輔助診斷支持與合理化建議，從而輔助提升診斷效率。為了加速英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器執(zhí)行AI推理的效率，東軟智慧醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)PACS/RIS采用了處理器內(nèi)置的英特爾AMX加速器以及OpenVINO 工具套件。

英特爾 AMX針對(duì)廣泛的硬件和軟件優(yōu)化，它進(jìn)一步增強(qiáng)了前代技術(shù)—矢量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)指令(VNNI)和BF16，從一維向量發(fā)展為二維矩陣，以便最大限度地利用計(jì)算資源，提高高速緩存利用率，以及避免潛在的帶寬瓶頸。OpenVINO 工具套件基于最新一代的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、遞歸網(wǎng)絡(luò)和基于注意力的網(wǎng)絡(luò)，可跨英特爾 硬件擴(kuò)展計(jì)算機(jī)視覺和非視覺工作負(fù)載，從而大幅提高性能。

東軟在第二代/第四代/第五代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器上測(cè)試了兩個(gè)參數(shù)大小不同的模型在同步和異步下的性能表現(xiàn)（測(cè)試時(shí)3種配置CPU均鎖定8核心的內(nèi)核），其中第四代和第五代處理器均啟用了英特爾AMX。

測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示，在使用參數(shù)量為342,978的較小模型時(shí)，以BF16精度在異步模式下執(zhí)行推理為例，英特爾至強(qiáng)鉑金8592+處理器（第五代）的性能相較于英特爾至強(qiáng)銀牌4210R處理器（第二代），推理性能提升高達(dá)2.55倍；在使用參數(shù)量為31,185,568的較大模型時(shí)，以BF16精度在異步模式下執(zhí)行推理為例，英特爾至強(qiáng)鉑金8592+處理器（第五代）的性能相較于英特爾至強(qiáng)銀牌4210R處理器（第二代），推理性能提升高達(dá)8.49倍。

圖3. BF16精度下的異步推理性能比較

收 益

基于英特爾架構(gòu)的東軟智慧醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)PACS/RIS能夠?yàn)橛脩魩砣缦聝r(jià)值：

?通過融合三維可視化、AI輔助診斷等高級(jí)能力，能夠助力醫(yī)生提高工作效率，改善患者體驗(yàn)。

?系統(tǒng)提供全面的業(yè)務(wù)、質(zhì)量、績(jī)效和教科研管理功能，有助于醫(yī)院切實(shí)加強(qiáng)影像質(zhì)量安全管控，實(shí)現(xiàn)多維度績(jī)效考核，支撐影像教科研發(fā)展。

?系統(tǒng)采用了英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，在滿足更高性能需求的同時(shí)，具備更高的部署與應(yīng)用靈活性，可以承擔(dān)更廣泛的負(fù)載、更有效地控制系統(tǒng)的總體擁有成本(TCO)。

展 望

基于英特爾架構(gòu)的東軟智慧醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)PACS/RIS具備高性能、高安全、高可靠等特征，支持高效地運(yùn)行三維可視化、AI輔助診斷等應(yīng)用。英特爾、東軟將持續(xù)深化合作，從新一代算力平臺(tái)構(gòu)建和AI應(yīng)用性能優(yōu)化等方面進(jìn)行深度合作，加速醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用，釋放醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的巨大價(jià)值。

附錄1：硬件推薦配置（高配）

附錄2：硬件推薦配置（中配）

1 與第四代英特爾 至強(qiáng) 處理器相比的平均性能提升，以SPEC CPU rate、STREAM Triad和LINPACK的幾何平均值為衡量標(biāo)準(zhǔn)。請(qǐng)參閱 intel.com/processorclaims上的 [G1]：第五代英特爾至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器。結(jié)果可能有所差異。

2 與第四代英特爾 至強(qiáng) 處理器相比，取得1.19倍到1.42倍的性能提升（ResNet50v1.5、BERT-Large、SSD-ResNet34、RNN-T（僅BF16）、Resnext101 32x16d、MaskRCNN（僅BF16）、DistilBERT）。請(qǐng)參閱 intel.com/processorclaims 上的[A15-A16]：第五代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器。結(jié)果可能有所差異。

3 請(qǐng)參閱intel.com/processorclaims上的[G12]：第五代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器。結(jié)果可能有所差異。

4 請(qǐng)參閱intel.com/processorclaims上的[G11]：第五代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器。結(jié)果可能有所差異。

5 使用內(nèi)置加速器在AI、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載上進(jìn)行測(cè)量，取得1.46到10.6倍的每瓦性能提升。請(qǐng)參閱intel.com/processorclaims上的[A19-A25]、[D1]、[D2]、[D5]和[N16]：第五代英特爾 至強(qiáng) 可擴(kuò)展處理器。結(jié)果可能有所差異。

6,7 東軟截止至2024年2月的內(nèi)部測(cè)試結(jié)果。測(cè)試配置：基準(zhǔn)配置—英特爾 至強(qiáng) 銀牌 4210R 處理器 @ 2.40 GHz，128 GB總內(nèi)存；新配置1—英特爾 至強(qiáng) 金牌 6430 處理器 @ 2.10 GHz，512 GB總內(nèi)存；新配置3—英特爾 至強(qiáng) 鉑金 8592+ 處理器 @ 1.90 GHz，512 GB 總內(nèi)存；4并發(fā)4線程下圖像尺寸為512*512*111，4并發(fā)6線程下圖像尺寸為 512*512*936，4并發(fā)8線程下圖像尺寸為512*512*5000。英特爾并不控制或?qū)徲?jì)第三方數(shù)據(jù)。請(qǐng)您審查該內(nèi)容，咨詢其他來源，并確認(rèn)提及數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

8 東軟截止至2024年2月的內(nèi)部測(cè)試結(jié)果。測(cè)試配置：基準(zhǔn)配置—英特爾 至強(qiáng) 銀牌 4210R 處理器 @ 2.40 GHz，128 GB 總內(nèi)存；新配置1—英特爾 至強(qiáng) 金牌 6430 處理器 @ 2.10 GHz，512 GB總內(nèi)存；新配置3—英特爾 至強(qiáng) 鉑金8592+ 處理器 @ 1.90 GHz，512 GB總內(nèi)存。英特爾并不控制或?qū)徲?jì)第三方數(shù)據(jù)。請(qǐng)您審查該內(nèi)容，咨詢其他來源，并確認(rèn)提及數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

本文僅用于宣傳英特爾和合作伙伴的科技技術(shù)。英特爾不以任何方式宣傳或介紹醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療服務(wù)，也不為任何藥品、醫(yī)療器械、保健食品等做推薦或證明。