pour la radiothérapie Simulations pour la radiothérapie: problématiques de calcul massif Laurent Guigues.

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1 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Simulations pour la radiothérapie: problématiques de calcul massif Laurent Guigues Creatis-LRMN Workshop 'Traitement intensif de données et Sciences de la Vie' Centre de Calcul de l'IN2P3 - 6 Décembre 2007

2 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Plan La radiothérapie et les simulations Monte Carlo Contexte de nos recherches Problématiques de calcul massif Conclusion et perspectives

3 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie La radiothérapie conventionnelle

4 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Proton et hadron-thérapie

5 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Radio vs. hadron-thérapie Le pic de Bragg

6 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Radio vs. hadron-thérapie Dose déposée localement (fort LET : linear energy transfert ) => Fort effet biologique (RBE : radiobiological effect) => Mort cellulaire des cellules radiorésistantes (notamment par cassure des deux brins de l’ADN)

7 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Déroulement d'un traitement de radio/hadronthérapie  Imagerie (TEP, CT)  Planification du traitement  Irradiation – Imagerie de contrôle per-op. (imagerie portale...)  Imagerie de contrôle post-op.  Bouclage sur la planification

8 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Déroulement d'un traitement de radio/hadronthérapie  Imagerie (TEP, CT)  Planification du traitement : Détourage de la tumeur, des organes à risque Boucle :  Paramétrage des faisceaux (position, énergie,... )  Simulation de la dose déposée jusqu'à parvenir à la prescription médicale ( dose > x Gy dans la tumeur, < y Gy dans tel organe )

9 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Planification de traitement (PT) Doc : GSI, Allemagne Scanned C-12 ions: 2 fieldsIMXT: 9 fields

10 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Simulations pour le PT Radiothérapie  Seuls des processus électromagnétiques interviennent.  Les simulations analytiques (= modéliser l'effet cumulé de tous les dépots par superposition/convolution) sont assez précises et rapides  MAIS besoins de simulations de référence par Monte Carlo Proton / hadronthérapie  Processus nucléaires (fragmentations)  Simulation Monte Carlo requise Difficultés :  Temps de calcul !  Données / modèles physiques mal connus

11 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Contexte Radiothérapie : des dixaines de centres en France, des milliers dans le monde Protonthérapie : 2 centres (Orsay, Nice) en France, des dixaines dans le monde Hadronthérapie : 1 futur centre (Lyon) en France, 3 existant dans le Monde, 5 projets dont 4 en Europe

12 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie La hadron. : évolution actuelle Japon : Nouveau centre en projet + extension de celui de Chiba Europe :  Heildelberg, Allemagne, décidé en 2002, ouverture en 2007  Pavie, Italie, décidé en 2003, ouverture prévue en 2008  Vienne, Autriche, décidé en 2007, ouverture prévue en ?  Lyon, France, Projet ETOILE décidé en 2007, ouverture prévue en 2012  Stockholm, Suède, non encore décidé. Ces 5 projets ont formé le projet européen ENLIGHT (European Network for Light Ion Therapy ) de 2001 à 2006 (5è PCRD) puis ENLIGHT++ (6è PCRD) depuis 2006

13 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Le projet ETOILE Objectifs : http://etoile.in2p3.fr  Créer un centre de soins et de recherche clinique, en réseau européen Localisation : Lyon BIOPARC; Ouverture prévue en 2012  Développer un programme de recherches, en réseau européen Le projet a été initié en 1997 par l'UCBL, soutenu par la Région, la Communauté urbaine de Lyon et le Ministère de la Recherche qui financent les études et les recherches associées. Il a été inscrit dans le Plan national Cancer (mars 2003). 10 ans après, les deux résultats marquants :  La création du centre a été adoptée avec l'accord du ministère de la santé du 13 février 2007  Un Programme National de Recherches en Hadronthérapie (PNRH) a été inscrit dans la politique de financement de la recherche de l'INCa

14 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie ETOILE : Les recherches Initiées depuis 2 à 5 ans elles mobilisent actuellement 11 laboratoires, dont 9 en Rhône-Alpes, 8 associés au CNRS, au CEA ou à l'INSERM. Elles visent à :  mieux connaître les fondements radiobiologiques des mécanismes du traitement  développer des outils performants pour la conduite du traitement (imagerie, plan de traitement)  développer des modélisations permettant de prévoir l'efficacité du traitement. L'interaction entre le centre de soins et le programme de recherches sera forte : le centre sera un lieu d'expérimentation (avec en particulier un espace "recherches"), et un lieu de rencontre pour les spécialistes concernés.

15 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Autres projets de recherche ANR SimCa2 : Simulations pour le traitement du Cancer par ions Carbone ThIS : Therapeutic Irradiation Simulator ANR fGATE : Nouvelle version de GATE GATE : Geant4 Application for Tomographic Emission GDR MI2B http://clrwww.in2p3.fr/GDR/rubrique.php3?id_rubrique=1

16 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie ThIS ThIS = Therapeutic Irradiation Simulator Voir http://www.creatis.insa-lyon.fr/rio/ThIShttp://www.creatis.insa-lyon.fr/rio/ThIS

17 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie ThIS : navigation optimisée Sarrut and Guigues, Med. Phys. : À paraître

18 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie ThIS + GATE => fGATE Travail commun avec GATE http://opengatecollaboration.healthgrid.org/ ANR fGate : Consolidation, accélération, élargissement de Gate Fusion avec ThIS 2 ans environ, 4 ingénieurs/post-doc financés

19 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Temps de calcul (ThIS) Radiothérapie 1 million particules (photon) : 5 heures Il faut ~ 100 millions : 500 h Hadronthérapie Carbone 1 million particules (carbone) : ~ 50 heures ! Il faut ??? particules : minimum 5000 h

20 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Calcul distribué (ThIS) L'histoire de chaque particule est indépendante des autres :  Si on a M machines, on peut répartir la simu de P particules en M simu de P/M particules

21 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Calcul distribué (ThIS) Contraintes : Indépendance statistique des séquences aléatoires => résolu dans Geant4 Multiplie par M l'espace disque pour données de sortie; nécessite une procédure de fusion des données. Problèmes : Le temps d'execution est celui du job le plus lent : infini si un job bloqué !

22 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Calcul distribué (ThIS) Solution en cours de développement :  Envoyer M jobs de P particules  Chaque job se connecte à un serveur (port 80) pour indiquer régulièrement sa progression  Quand le nombre total de particules (P) est atteint : rapatrier les résultats et tuer les jobs. Va être testé sur la grille EGEE

23 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Conclusion Radio et surtout hadronthérapie : forts besoins de temps de calcul pour simulations Monte Carlo Utilisation de cluster ou grille indispensable

24 laurent.guigues@creatis.insa-lyon.frSimulations pour la radiothérapie Perspectives Les besoins en temps de calcul vont s'accroître avec :  La sortie de fGate  La simulation “4D” (organes mobiles) : prévu dans fGate, ENLIGHT++  Le centre ETOILE