Letteratura scientifica selezionata sul tema "Accélération graphique"

@Nous avons créé un nouveau et performant logiciel de synthèse d'images du type palette graphique en suivant deux objectifs : amélioration de la qualité des modèles utilisés et accélération des algorithmes. De nouveaux modèles permettant de générer des effets difficilement réalisables jusqu'alors ont été proposés et implémentés. Les dégradés par interpolation curvilinéaire-linéaire et la génération automatique de programmes de calcul de courbes sont par exemple deux nouvelles fonctionnalités offertes aux graphistes. Afin d'accélérer les algorithmes les plus utilisés, nous avons démontré de nouvelles propriétés mathématiques que nous avons efficacement appliquées. . .

En radiothérapie, la planification de traitement correspond à l’optimisation de la balistique pour administrer la dose prescrite aux lésions à traiter, tout en minimisant les doses collatérales reçues par les tissus sains. L’algorithme de calcul de dose qui est au cœur de cette simulation numérique se doit d’être précis et efficace. L’antagonisme de ces deux compétences a abouti au développement d’algorithmes analytique rapides dont l’amélioration de la précision dosimétrique a, de nos jours, atteint sa limite. L’exactitude de l’algorithme de calcul de dose est particulièrement importante en protonthérapie pour exploiter pleinement le potentiel balistique des protons. La méthode Monte Carlo de transport de proton est la plus précise mais également la moins efficace. Cette thèse a pour sujet le développement d’une plateforme Monte Carlo de calcul de dose suffisamment efficace pour envisager son utilisation en routine clinique. L’objectif principal du projet est d’accélérer le transport Monte Carlo de protons sans compromettre la précision des dépôts de dose. Pour ce faire, deux voies de recherche ont été exploitées. La première a consisté à établir une nouvelle méthode de réduction de variance nommée formalisme du pouvoir d’arrêt restreint équivalent (formalisme Leq). Cette technique améliore significativement la complexité algorithmique temporelle rendue constante (O(1)) au lieu de linéaire (O(n)) des algorithmes Monte Carlo actuels. La seconde voie de recherche s’est attardée à l’utilisation des processeurs graphiques pour améliorer la vitesse d’exécution du transport Monte Carlo de protons. La plateforme développée, nommée pGPUMCD, réalise le transport des protons sur des processeurs graphiques au sein de géométries voxelisées. Dans pGPUMCD, les techniques d’interactions condensées et ponctuelles sont considérées. Les interactions inélastiques de faibles portées sont modélisées par la décélération continue du proton à l’aide du formalisme Leq, et les interactions élastiques par la diffusion coulombienne multiple. Les interactions ponctuelles modélisées sont les interactions inélastiques, les intéractions nucléaires élastiques et non-élastiques proton-noyaux. pGPUMCD est comparé à Geant4, et les procédés physiques implémentés sont validés les uns après les autres. Pour les cas cliniques de calcul de dose, 27 matériaux sont définis pour la segmentation des tissus du scanner tomodensitométrique. L’exactitude dosimétrique du formalisme Leq est meilleure que 0.31% pour divers milieux allant de l’eau à l’or. Les gains d’efficacité intrinsèque au formalisme Leq sont supérieurs à 30 : entre 100 et 630 à précisions dosimétriques similaires. Combiné à l’accélération du GPU, le gain d’efficacité est d’un ordre de grandeur supérieur à 10⁵. pGPUMCD concorde à Geant4 à moins de 1% jusqu’au pic de Bragg et à moins de 3% dans sa pénombre distale, pour différentes configurations de simulations allant des milieux homogènes jusqu’aux cas cliniques. De plus, 99.5% des points de dose passent le critère 1% et les portées de prescription concordent avec celles de Geant4 à moins 0.1%. Les temps de calcul de pGPUMCD sont inférieurs à 0.5 seconde par million de protons transportés contre plusieurs heures avec Geant4. Les performances dosimétriques et d’efficacité de pGPUMCD lui confèrent les bonnes caractéristiques pour être employé dans un environnement de planification dosimétrique clinique. L’apport médical attendu est un meilleur contrôle sur les doses administrées, ce qui permet une réduction significative des marges et des toxicités des traitements.
In radiotherapy, treatment planning is the optimization of the ballistics to administer the prescribed dose to the treated lesions while minimizing collateral doses received by the healthy tissue. The algorithm of the dose calculation is at the heart of this numerical simulation. It must be precise and computationally efficient. The antagonism of these two features has led to the development of rapid analytical algorithms whose improvement in dosimetric accuracy has nowadays reached its limit. The accuracy of the dose calculation algorithm is particularly important in proton therapy to fully exploit the ballistic potential of protons. The Monte Carlo proton transport method is the most accurate but also the least efficient. This thesis deals with the development of a Monte Carlo dose calculation platform that is sufficiently effective to consider its use in clinical routine. The main objective of the project is to accelerate the Monte Carlo proton transport without compromising the precision of the dose deposition. To do this, two lines of research have been exploited. The first was to establish a new variance reduction technique called the equivalent restricted stopping power formalism (formalism Leq). This technique significantly improves the algorithmic time complexity made constant (O(1)) instead of linear (O(n)) for the current Monte Carlo algorithms. The second line of research focused on the use of graphics processing units to improve the execution speed of the proton Monte Carlo transport. The developed platform, named pGPUMCD, transports protons on graphic processors in a voxelized geometry. In pGPUMCD, condensed and discrete interaction techniques are considered. The inelastic low-range interactions are modeled with a continuous proton slowing down using the Leq formalism and the energy straggling is considered. The elastic interactions are based on the multiple Coulomb scattering. The discrete interactions are the inelastic interactions, the nuclear elastic and the non-elastic proton-nuclei interactions. pGPUMCD is compared to Geant4 and the implemented physical processes are validated one after the other. For the dose calculation in a clinical context, 27 materials are defined for the tissue segmentation from the CT scan. The dosimetric accuracy of the Leq formalism is better than 0.31% for various materials ranging from water to gold. The intrinsic efficiency gain factors of the Leq formalism are greater than 30, between 100 to 630 for a similar dosimetric accuracy. Combined with the GPU acceleration, the efficiency gain is an order of magnitude greater than 10⁵. Dose differences between pGPUMCD and Geant4 are smaller than 1% in the Bragg peak region and below 3% in its distal fall-off for the different simulation configurations with homogeneous phantoms and clinical cases. In addition, 99.5% of the dose points pass the criterion 1% and the prescribing ranges match with those of Geant4 at less than 0.1%. The computing times of pGPUMCD are below 0.5 seconds per million of transported protons compared to several hours with Geant4. The dosimetric and efficiency performances of pGPUMCD make it a good candidate to be used in a clinical dosimetric planning environment. The expected medical benefit is a better control of the delivered doses allowing a significant margin and toxicity reductions of the treatments.

L'augmentation en complexité des applications d'Intelligence Artificielle (IA) entraîne une demande accrue en puissance de calcul et en énergie pour entraîner et exécuter des modèles d'apprentissage automatique (ML). Les processeurs graphiques (GPU), forts d'architectures améliorées (e.g., ajout de cœurs dédiés à l'IA en 2017), sont devenus le système de prédilection pour de telles tâches. Concevoir des systèmes plus efficients pour l'IA n'est possible qu'avec une connaissance approfondie des limites des systèmes existants, où matériel et logiciel sont étroitement couplés. Mais l'abstraction des plateformes d'IA et la nature fermée des architectures GPU modernes masquent le processus d'exécution, rendant ses performances difficiles à évaluer.L'objectif de cette thèse est caractériser les facteurs limitant la performance et augmentant la consommation énergétique des tâches d'IA exécutées avec des GPUs modernes. Cette thèse adresse trois limitations majeures des outils existants. Premièrement, les outils de caractérisation proposés par les plateformes de développement d'IA sont conçus pour aider les développeurs de modèles ML, mais ne donnent pas d'informations sur la charge additionnelle que représente l'exécution de ces plateformes. Deuxièmement, les outils de caractérisation proposés par les fabricants de GPUs permettent l'accès à des compteurs de performance, mais qui ne permettent pas d'estimer l'efficacité des interactions entre le GPU et l'unité centrale (CPU). Enfin, pour caractériser la consommation énergétique des GPUs lors de l'entraînement d'IA, ces outils ne permettent pas d'obtenir une décomposition détaillée. Pour adresser ces limitations, cette thèse propose trois contributions.Premièrement, nous analysons l'exécution des plateformes d'IA sur un couple CPU-GPU. Nous proposons une nouvelle méthodologie de caractérisation réutilisant les données fournies par des outils existants. Cette méthodologie permet d'extraire de nouvelles informations quant à l'exécution de modèles d'IA. Nous étudions l'exécution de trois modèles d'IA et nos résultats montrent que l'exécution des opérations destinées au GPU doit être suffisamment longue pour masquer le temps d'exécution de la plateforme d'IA, augmentant l'utilisation GPU. Pour autant, cette incitation à utiliser des opérations plus longues conduit à l'utilisation de lots de données plus conséquents, augmentant la demande en mémoire GPU.Deuxièmement, nous analysons l'utilisation des ressources internes au GPU lors de l'entraînement. Nous proposons une nouvelle méthodologie de caractérisation combinant les outils proposés par les fabricants de GPUs et par les plateformes d'IA. Nos résultats suggèrent qu'un plafond de performance a été atteint, annulant les bénéfices à utiliser des lots de données plus larges pour l'entraînement. Nous observons que les cœurs les plus performants du GPU (tensor cores) restent inactifs durant la majorité du temps d'entraînement, limité par les opérations qui n'utilisent pas ces cœurs. Nos résultats suggèrent que les architectures GPU modernes ont atteint un point de saturation.Enfin, nous analysons la consommation énergétique des GPUs lors de l'entraînement. Nous proposons une méthodologie basée sur l'utilisation de microprogrammes afin d'obtenir une décomposition de la consommation énergétique. Nos résultats suggèrent que les transferts de données sont responsables pour la majorité de la consommation énergétique dynamique du GPU (jusqu'à 84%). Ces résultats soutiennent la tendance de recherche pour des architectures cherchant optimiser les transferts de données (e.g., traitement en mémoire ou à proximité, architectures vectorielles).Cette thèse propose une analyse approfondie des limites de performance et de la consommation énergétique des tâches d'IA exécutées à l'aide de GPUs modernes. Nous espérons que ce travail inspirera de futures recherches dans cette direction, pour concevoir des accélérateurs d'IA plus efficients
The rising complexity of Artificial Intelligence (AI) applications significantly increases the demand for computing power to execute and train Machine Learning (ML) models, thus boosting the energy consumption of data centers. GPUs, enhanced by developments like tensor cores (2017), have become the preferred architecture. Building more efficient ML computing systems relies on a deep understanding of the limits of both parts of a tightly coupled hardware/software paradigm. However, the high abstraction of ML frameworks and the closed-source, proprietary design of state-of-the-art GPU architectures obscure the execution process and make performance evaluation tedious.The main goal of this thesis is to provide new methodologies to evaluate performance and energy bottlenecks of GPU-accelerated ML workloads. Existing profiling solutions are limited in three ways. First, ML framework profiling tools are designed to assist the development of ML models but do not give insights into the runtime execution of the ML framework. While these profiling tools provide high-level metrics on the GPU device execution, these metrics can be misleading and overestimate the utilization of the GPU resources. Second, lower-level profiling tools provide access to performance counters and insights on how to optimize GPU kernels. However, these tools cannot capture the efficiency of host/device interactions occurring at a higher level. Finally, when evaluating energy bottlenecks, the mentioned profiling tools cannot provide a detailed breakdown of the energy consumed by modern GPUs during ML training. To tackle these shortcomings, this thesis makes three key contributions organized as a top-down analysis of GPU-accelerated ML workloads.First, we analyze ML frameworks' runtime execution on a CPU-GPU tandem. We propose a new profiling methodology that leverages data from an ML framework's profiler. We use this methodology to provide new insights into the runtime execution of inference, for three ML models. Our results show that GPU kernels' execution must be long enough to hide the runtime overhead of the ML framework, increasing GPU utilization. However, this strive for longer kernel execution leads to the use of bigger batches of data, seemingly pushing the need for more GPU memory.Second, we analyze the utilization of GPU resources when performing ML training. We propose a new profiling methodology combining the use of high-level and low-level profilers to provide new insights into the utilization of the GPU's inner components. Our experiments, on two modern GPUs, suggest that bigger GPU memory helps enhance throughput and utilization from a high level. However, our results also suggest that a plateau has been reached, eliminating the push for bigger batches. Furthermore, we observe that the fastest GPU cores (tensor cores) are idle most of the time, and the tested workloads are now limited by kernels that do not use these cores. Thus, our results suggest that the current GPU paradigm is reaching a saturation point.Finally, we analyze the energy consumption of GPUs during ML training. We propose an energy model and calibration methodology that uses microbenchmarks to provide a breakdown of the GPU energy consumption. We implement and validate this approach with a modern NVIDIA GPU. Our results suggest that data movement is responsible for most of the energy consumption (up to 84% of the dynamic energy consumption of the GPU). This further motivates the push for newer architectures, optimizing memory accesses (e.g., processing in/near memory, vectorized architectures).This thesis provides a comprehensive analysis of the performance and energy bottlenecks of GPU-accelerated ML workloads. We believe our contributions uncover some of the limitations of current GPU architectures and motivate the need for more advanced profiling techniques to design more efficient ML accelerators. We hope that our work will inspire future research in this direction

Nous nous intéressons à l'utilisation de la technologie manycore des cartes graphiques dans le cadre de la Chimie théorique. Nous soutenons la nécessité pour ce domaine d'être capable de tirer profit de cette technologie. Nous montrons la faisabilité et les limites de l'utilisation de cartes graphiques en Chimie théorique par le portage sur GPU de deux méthodes de calcul en modélisation moléculaire. Ces deux méthodes n’intégrerons ultérieurement au programme de docking moléculaire AlgoGen. L'accélération et la performance énergétique ont été examinées au cours de ce travail.Le premier programme NCIplot implémente la méthodologie NCI qui permet de détecter et de caractériser les interactions non-covalentes dans un système chimique. L'approche NCI se révèle être idéale pour l'utilisation de cartes graphiques comme notre analyse et nos résultats le montrent. Le meilleur portage que nous avons obtenu, a permis de constater des facteurs d'accélération allant jusqu'à 100 fois plus vite par rapport au programme NCIplot. Nous diffusons actuellement librement notre portage GPU : cuNCI.Le second travail de portage sur GPU se base sur GAMESS qui est un logiciel complexe de portée internationale implémentant de nombreuses méthodes quantiques. Nous nous sommes intéressés à la méthode combinée DFTB/FMO/PCM pour le calcul quantique de l'énergie potentielle d'un complexe. Nous sommes intervenus dans la partie du programme calculant l'effet du solvant. Ce cas s'avère moins favorable à l'utilisation de cartes graphiques, cependant nous avons su obtenir une accélération
In this research work we are interested in the use of the manycore technology of graphics cards in the framework of approaches coming from the field of Theoretical Chemistry. We support the need for Theoretical Chemistry to be able to take advantage of the use of graphics cards. We show the feasibility as well as the limits of the use of graphics cards in the framework of the theoretical chemistry through two usage of GPU on different approaches.We first base our research work on the GPU implementation of the NCIplot program. The NCIplot program has been distributed since 2011 by Julia CONTRERAS-GARCIA implementing the NCI methodology published in 2010. The NCI approach is proving to be an ideal candidate for the use of graphics cards as demonstrated by our analysis of the NCIplot program, as well as the performance achieved by our GPU implementations. Our best implementation (VHY) shows an acceleration factors up to 100 times faster than the NCIplot program. We are currently freely distributing this implementation in the cuNCI program.The second GPU accelerated work is based on the software GAMESS-US, a free competitor of GAUSSIAN. GAMESS is an international software that implements many quantum methods. We were interested in the simultaneous use of DTFB, FMO and PCM methods. The frame is less favorable to the use of graphics cards however we have been able to accelerate the part carried by two K20X graphics cards

Un processus de convergence des techniques algorithmiques de deux domaines autrefois disjoints, convergence facilité par l'émergence de normes telles que MPEG-4, s'est engagé au cours de ces dernières années. Grâce au concept de codage par objets, une scène peut être reconstituée par la composition de divers objets dans un ordre déterminé.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la composition d'objets visuels qui peuvent être de natures différentes (séquences vidéo, images fixes, objets synthétiques 3D, etc.). Néanmoins, les puissances de calcul nécessaires afin d'effectuer cette composition demeurent prohibitives sans mise en place d'accélérateurs matériels spécialisés et deviennent critiques dans un contexte de terminal portable.
Une revue tant algorithmique qu'architecturale des différents domaines est effectuée afin de souligner à la fois les points de convergence et de différence. Ensuite, trois axes (interdépendants) de réflexions concernant les problématiques de représentation des données, d'accès aux données et d'organisation des traitements sont principalement discutés.
Ces réflexions sont alors appliquées au cas concret d'un terminal portable pour la labiophonie : application de téléphonie où le visage de l'interlocuteur est reconstruit à partir d'un maillage de triangles et d'un placage de texture. Une architecture unique d'un compositeur d'image capable de traiter indifféremment ces objets visuels est ensuite définie. Enfin, une synthèse sur une plateforme de prototypage de cet opérateur autorise une comparaison avec des solutions existantes, apparues pour la plupart au cours de cette thèse.

Les applications de calcul haute-performance (HPC) nécessitent des capacités de calcul conséquentes, qui sont généralement atteintes à l'aide de fermes de serveurs au détriment de la consommation énergétique d'une telle solution. L'accélération d'applications sur des plateformes hétérogènes, comme par exemple des FPGA ou des GPU, permet de réduire la consommation énergétique et correspond donc à un compromis architectural plus séduisant. Elle s'accompagne cependant d'un changement de paradigme de programmation et les plateformes hétérogènes sont plus complexes à prendre en main pour des experts logiciels. C'est particulièrement le cas des développeurs de produits financiers en finance quantitative. De plus, les applications financières évoluent continuellement pour s'adapter aux demandes législatives et concurrentielles du domaine, ce qui renforce les contraintes de programmabilité de solutions d'accélérations. Dans ce contexte, l'utilisation de flots haut-niveaux tels que la synthèse haut-niveau (HLS) pour programmer des accélérateurs FPGA n'est pas suffisante. Une approche spécifique au domaine peut fournir une réponse à la demande en performance, sans que la programmabilité d'applications accélérées ne soit compromise.Nous proposons dans cette thèse une approche de conception haut-niveau reposant sur le standard de programmation hétérogène OpenCL. Cette approche repose notamment sur la nouvelle implémentation d'OpenCL pour FPGA introduite récemment par Altera. Quatre contributions principales sont apportées : (1) une étude initiale d'intégration de c'urs de calculs matériels à une librairie logicielle de calcul financier (QuantLib), (2) une exploration d'architectures et de leur performances respectives, ainsi que la conception d'une architecture dédiée pour l'évaluation d'option américaine et l'évaluation de volatilité implicite à partir d'un flot haut-niveau de conception, (3) la caractérisation détaillée d'une plateforme Altera OpenCL, des opérateurs élémentaires, des surcouches de contrôle et des liens de communication qui la compose, (4) une proposition d'un flot de compilation spécifique au domaine financier, reposant sur cette dernière caractérisation, ainsi que sur une description des applications financières considérées, à savoir l'évaluation d'options
The need for resources in High Performance Computing (HPC) is generally met by scaling up server farms, to the detriment of the energy consumption of such a solution. Accelerating HPC application on heterogeneous platforms, such as FPGAs or GPUs, offers a better architectural compromise as they can reduce the energy consumption of a deployed system. Therefore, a change of programming paradigm is needed to support this heterogeneous acceleration, which trickles down to an increased level of programming complexity tackled by software experts. This is most notably the case for developers in quantitative finance. Applications in this field are constantly evolving and increasing in complexity to stay competitive and comply with legislative changes. This puts even more pressure on the programmability of acceleration solutions. In this context, the use of high-level development and design flows, such as High-Level Synthesis (HLS) for programming FPGAs, is not enough. A domain-specific approach can help to reach performance requirements, without impairing the programmability of accelerated applications.We propose in this thesis a high-level design approach that relies on OpenCL, as a heterogeneous programming standard. More precisely, a recent implementation of OpenCL for Altera FPGA is used. In this context, four main contributions are proposed in this thesis: (1) an initial study of the integration of hardware computing cores to a software library for quantitative finance (QuantLib), (2) an exploration of different architectures and their respective performances, as well as the design of a dedicated architecture for the pricing of American options and their implied volatility, based on a high-level design flow, (3) a detailed characterization of an Altera OpenCL platform, from elemental operators, memory accesses, control overlays, and up to the communication links it is made of, (4) a proposed compilation flow that is specific to the quantitative finance domain, and relying on the aforementioned characterization and on the description of the considered financial applications (option pricing)

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies.
Positron emission tomography (PET) is a molecular imaging modality that uses radiotracers labeled with positron emitting isotopes in order to quantify many biological processes. The clinical applications of this modality are largely in oncology, but it has a potential to be a reference exam for many diseases in cardiology, neurology and pharmacology. In fact, it is intrinsically able to offer the functional information of cellular metabolism with a good sensitivity. The principal limitations of this modality are the limited spatial resolution and the limited accuracy of the quantification. To overcome these limits, the recent PET systems use a huge number of small detectors with better performances. The image reconstruction is also done using accurate algorithms such as the iterative stochastic algorithms. But as a consequence, the time of reconstruction becomes too long for a clinical use. So the acquired data are compressed and the accelerated versions of iterative stochastic algorithms which generally are non convergent are used to perform the reconstruction. Consequently, the obtained performance is compromised. In order to be able to use the complex reconstruction algorithms in clinical applications for the new PET systems, many previous studies were aiming to accelerate these algorithms on GPU devices. Therefore, in this thesis, we joined the effort of researchers for developing and introducing for routine clinical use the accurate reconstruction algorithms that improve the spatial resolution and the accuracy of quantification for PET. Therefore, we first worked to develop the new strategies for accelerating on GPU devices the reconstruction from list mode acquisition. In fact, this mode offers many advantages over the histogram-mode, such as motion correction, the possibility of using time-of-flight (TOF) information to improve the quantification accuracy, the possibility of using temporal basis functions to perform 4D reconstruction and extract kinetic parameters with better accuracy directly from the acquired data. But, one of the main obstacles that limits the use of list-mode reconstruction approach for routine clinical use is the relatively long reconstruction time. To overcome this obstacle we : developed a new strategy to accelerate on GPU devices fully 3D list mode ordered-subset expectation-maximization (LM-OSEM) algorithm, including the calculation of the sensitivity matrix that accounts for the patient-specific attenuation and normalisation corrections. The reported reconstruction are not only compatible with a clinical use of 3D LM-OSEM algorithms, but also lets us envision fast reconstructions for advanced PET applications such as real time dynamic studies and parametric image reconstructions. developed and implemented on GPU a multigrid/multiframe approach of an expectation-maximization algorithm for list-mode acquisitions (MGMF-LMEM). The objective is to develop new strategies to accelerate the reconstruction of gold standard LMEM (list-mode expectation-maximization) algorithm which converges slowly. The GPU-based MGMF-LMEM algorithm processed data at a rate close to one million of events per second per iteration, and permits to perform near real-time reconstructions for large acquisitions or low-count acquisitions such as gated studies. Moreover, for clinical use, the quantification is often done from acquired data organized in sinograms. This data is generally compressed in order to accelerate reconstruction. But previous works have shown that this approach to accelerate the reconstruction decreases the accuracy of quantification and the spatial resolution. The ordered-subset expectation-maximization (OSEM) is the most used reconstruction algorithm from sinograms in clinic. Thus, we parallelized and implemented the attenuation-weighted line-of-response OSEM (AW-LOR-OSEM) algorithm which allows a PET image reconstruction from sinograms without any data compression and incorporates the attenuation and normalization corrections in the sensitivity matrices as weight factors. We compared two strategies of implementation: in the first, the system matrix (SM) is calculated on the fly during the reconstruction, while the second implementation uses a precalculated SM more accurately. The results show that the computational efficiency is about twice better for the implementation using calculated SM on-the-fly than the implementation using pre-calculated SM, but the reported reconstruction times are compatible with a clinical use for both strategies.

Cette recherche tente de déterminer si, dans le cadre d’un cours de physique de cinquième secondaire, l’utilisation d’un laboratoire par enquête guidée (comme complément d’enseignement basé sur une approche conceptuelle) permet aux élèves de mieux comprendre des notions de cinématique, que le laboratoire traditionnel. Elle s’inscrit dans une série d’études, réalisées au collégial ou à l’université, qui portent sur des approches d’enseignement exploitant le laboratoire comme moyen de transmission des concepts mécaniques en physique (McDermott, 1996; Beichner, 1994). Le laboratoire par enquête est associé à une approche conceptuelle axée sur le raisonnement qualitatif alors que celui qui est traditionnel est associé à une approche traditionnelle de l’enseignement de la physique. Le test TUG-K, «Test of Understanding Graphs in Kinematics » (Beichner, 1994), ainsi que des entrevues individuelles ont été utilisés afin d’évaluer la compréhension des concepts de cinématique. Il semble d’abord que le laboratoire par enquête guidé soit efficace pour enseigner la plupart des notions de cinématique. De plus, en comparant deux groupes d’une trentaine d’élèves de 5e secondaire ayant suivi deux types de laboratoires différents, l’étude a permis d’entrevoir une piste concernant la compréhension du concept d’accélération. Les résultats suggèrent qu’un laboratoire associé à une approche conceptuelle permettrait aux étudiants, à long terme, de mieux s’approprier les notions d’accélération qu’un laboratoire traditionnel.
The goal of this study is to determine whether the use of a guided inquiry laboratory (as a teaching complement based on a conceptual approach) will allow secondary five students to better understand kinematics notions than by the use of an expository laboratory. It comes within a series of college and university studies about teaching approaches using laboratories to transmit physics’ concepts in mechanics (McDermott, 1996; Beichner, 1994). The guided inquiry laboratory approach is associated to a conceptual approach based on qualitative reasoning, whereas the expository laboratory is associated to traditional approach in teaching physics. The Test of Understanding Graphs in Kinematics (TUG-K) (Beichner, 1994) and individual interviews were used to evaluate understanding of kinematics concepts. First of all, the study shows that a guided inquiry approach is an effective method to teach most of kinematics notions. Comparing the results from two groups of 38 students, the study results indicate that a conceptual approach laboratory is better than an expository laboratory for students’ long-term understanding of acceleration notions.