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

pour la radiothérapie Plan La radiothérapie et les simulations Monte Carlo Contexte de nos recherches Problématiques de calcul massif Conclusion et perspectives

pour la radiothérapie La radiothérapie conventionnelle

pour la radiothérapie Proton et hadron-thérapie

pour la radiothérapie Radio vs. hadron-thérapie Le pic de Bragg

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)

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

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 )

pour la radiothérapie Planification de traitement (PT) Doc : GSI, Allemagne Scanned C-12 ions: 2 fieldsIMXT: 9 fields

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

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

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

pour la radiothérapie Le projet ETOILE Objectifs :  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

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.

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

pour la radiothérapie ThIS ThIS = Therapeutic Irradiation Simulator Voir

pour la radiothérapie ThIS : navigation optimisée Sarrut and Guigues, Med. Phys. : À paraître

pour la radiothérapie ThIS + GATE => fGATE Travail commun avec GATE ANR fGate : Consolidation, accélération, élargissement de Gate Fusion avec ThIS 2 ans environ, 4 ingénieurs/post-doc financés

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

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

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 !

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

pour la radiothérapie Conclusion Radio et surtout hadronthérapie : forts besoins de temps de calcul pour simulations Monte Carlo Utilisation de cluster ou grille indispensable

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