Оптическая биомедицинская диагностика

Краткое описание

В настоящее время в медицинских исследованиях, в том числе предклинических, существует потребность в развитии новых неинвазивных и доступных методов диагностики, поскольку используемые традиционные методы (магнитно-резонансная томография, компьютерная томография, позитронно-эмиссионная томография) имеют ряд ограничений связанных с их небезопасностью, высокими требованиями к инфраструктуре и стоимостью оборудования. Классом наиболее перспективных методов диагностики, которые могут применяться как в сочетании с существующими методами, так и в некоторых случаях вместо них, являются оптические методы. Их основными преимуществами являются безопасность для пациента, сравнительно невысокая стоимость приборов и широкие функциональные возможности, обусловленные возможной вариативностью параметров зондирующего излучения (длина волны, модуляция, длина импульса и т.д.).

Задача диагностики биотканей на небольших глубинах (единицы мм) решается посредством применения метода оптической когерентной томографии (ОКТ), изображение в котором формируется малократно рассеянными фотонами, успешно применяемого в клинической практике. Для диагностики биотканей на больших глубинах (десятки мм) необходимо применять методы, для которых информативным является многократно рассеянное излучение. Одним из таких методов является оптическая диффузионная спектроскопия (ОДС), предоставляющая широкие возможности для неинвазивной диагностики. Метод основан на регистрации многократно рассеянного объектом зондирующего излучения на нескольких длинах волн, определяемых спектрами поглощения исследуемых компонент организма.

Применение метода ОДС позволяет решать такие задачи, как диагностика раковых опухолей, в частности, рака груди; мониторинг активности зон коры головного мозга; планирование фотодинамической терапии; мониторинг состояния пациента при хирургическом вмешательстве; и др.

Для успешного применения метода ОДС на практике необходимо определить оптимальные характеристики ОДС системы (такие как взаимное расположение источника и детекторов, длина волны зондирования и др.) путем проведения предварительного моделирования распространения зондирующего излучения в исследуемых биологических тканях.

С 2010 года коллективом разрабатывается программный комплекс XMCML (eXtended Monte Carlo Modeling of Light transport), включающий параллельную реализацию метода Монте-Карло для моделирования переноса зондирующего излучения в сложных биотканях для гетерогенных кластерных систем с несколькими CPU и GPU на узле, систем на базе Intel Xeon Phi, и программные средства для запуска экспериментов и анализа результатов.

Проект развивается в сотрудничестве с исследовательскими группами из ИПФ РАН (Нижний Новгород) и университета Оулу (Финляндия).

Коллектив

Со-руководители проекта

Участники проекта

Ранее в проекте участвовали

  • Коршунова Анна, магистр, ВМК ННГУ.
  • Багаутдинов Тимур, магистр, ВМК ННГУ.

Основные результаты

Разработан программный комплекс XMCML для трехмерного Монте-Карло моделирования переноса зондирующего излучения в сложных биологических тканях на обычных и гетерогенных суперкомпьютерах:

  1. Предложен и реализован новый, модифицированный метод Монте-Карло, позволяющий сократить время моделирования траекторий фотонов от источника до детектора на порядок. Улучшение метода базируется на применении техники смещенной выборки (importance sampling).
  2. Разработаны параллельные алгоритмы моделирования для многоядерных CPU (OpenMP), GPU (CUDA), Intel Xeon Phi, а также гетерогенных кластерных систем.
  3. Разработаны 2-х и 3-х мерные средства визуализации результатов моделирования распространения излучения в объекте.
  4. Выполнено моделирование распространения излучения в голове человека на основе триангулированной модели тканей головы, полученных из данных МРТ.

В настоящий момент расчеты выполняются с использованием суперкомпьютеров МВС-100К, МВС-10П (МСЦ РАН), «Ломоносов» (МГУ).

Текущие исследования

Работы ведутся в следующих направлениях:

  1. Адаптация методов и алгоритмов программного комплекса к решению задач моделирования функциональной диагностики, в частности, функциональной диагностики головного мозга человека.
  2. Развитие существующих методов Монте-Карло моделирования с целью повышения их эффективности и точности.
  3. Оптимизация производительности для CPU, GPU и Xeon Phi, разработка гетерогенных версий, развитие средств балансировки нагрузки.
  4. Расширение функциональности кода.

Избранные публикации

  1. Gorshkov A.V., Kirillin M.Yu. Monte Carlo simulation of brain sensing by optical diffuse spectroscopy // Journal of Computational Science. -2012. -Vol. 3, No. 6. -P. 498-503.
  2. Korhonen V.O., Myllyla T.S., Kirillin M.Y., Bykov A., Popov A., Gorshkov A.V., Sergeeva E.A., Kinnunen M., Kiviniemi V. Light propagation in near-infrared spectroscopy of the human brain // Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. -2014. -Vol. 20, No. 2. -P. 7100310.
  3. Bastrakov S., Meyerov I., Gergel V., Gonoskov A., Gorshkov A., Efimenko E., Ivanchenko M., Kirillin M., Malova A., Osipov G., Petrov V., Surmin I., Vildemanov A. High Performance Computing in Biomedical Applications // Procedia Computer Science. -2013. –Vol. 18. –P. 10-19.
  4. Горшков А.В., Коршунова А.Л. Оптимальный алгоритм поиска пересечений в задаче Монте-Карло моделирования распространения зондирующего излучения в головном мозге человека // Вестник нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -2012. –Т. 5, Ч. 2. –С. 73-80.

Избранные доклады

  1. Горшков А.В., Кириллин М.Ю., Коршунова А.Л. Компьютерное моделирование оптической диффузионной спектроскопии для функциональной диагностики мозга человека // Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах: Тез. докл. Всероссийск. науч. конф. (26 –28 ноября 2012 г., г. Нижний Новгород). –Н. Новгород: Изд-во Нижегор. гос. ун-та, 2012. –С. 106-110.
  2. Gorshkov A.V., Kirillin M.Yu., Sergeeva E.A. Monte Carlo simulation of optical brain sensing in different geometries // Topical problems of Biophotonics: Proceeding of International Symposium (21-27 July 2013, Nizhny Novgorod, Russia). –P. 100-102.
  3. Горшков А.В., Кириллин М.Ю., Гергель В.П. Компьютерное моделирование в задачах оптической диффузионной спектроскопии на вычислителях с параллельной архитектурой // Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах: Тез. докл. Всероссийск. науч. конф. (14 –15 ноября 2013 г., г. Нижний Новгород). –Н. Новгород: Изд-во Нижегор. гос. ун-та, 2013. –С. 90-94.

Конкурсы, проекты и гранты

  1. 2014 – грант РФФИ № 14-02-31549.
  2. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ «Моделирование распространения излучения в биотканях для задач оптической диффузионной спектроскопии головного мозга человека», №2013611386 (2013 г.).
  3. Конкурс Интел-Сколково «Компьютерный континуум: от идеи до воплощения 2012» – лауреат конкурса.
  4. Конкурс Интел-Сколково «Компьютерный континуум: от идеи до воплощения 2011» – лауреат конкурса (коллективная заявка «Высокопроизводительные вычисления в медицине»).
  5. Конкурс «Эффективное использование GPU-ускорителей при решении больших задач» – работа вошла в число победителей 1 и 3 этапов:
    – 1 этап. «Разработка подходов к использованию GPU-ускорителей для моделирования распространения света в биологических объектах».
    – Финальный этап. Коллективная заявка «Высокопроизводительные вычисления в медицине».

Дополнительные материалы

Страница проекта с исходным кодом: https://code.google.com/p/mcml/