Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid environment Vincent Breton – Lydia Maigne Journée Ciment-GRID 20/2/03

Déploiement d’une grille pour la bio-informatique développer une interface software entre la physique corpusculaire et les sciences de la vie Déploiement d’une grille de calculs pour la bio-informatique gestion des flux de données générés par les expériences de génomique on retrouve les mêmes problèmes en physique des particules, en imagerie médicale Les deux axes de recherche de PCSV concernent les problèmes évoqués juste avant: L’équipe travaille sur le déploiement d’une grille de calculs pour la bio-informatique. Cette grille de calculs est composée d’ordinateurs disséminés partout en Europe et regroupés entre eux. L’utilisateur qui se connecte à cette grille dispose alors de l’ensemble de la puissance de calculs et de la capacité de stockage de tous les ordinateurs présents sur la grille … Cette grille permet donc de stocker de très grosses quantités de données et de rendre ces données accessibles à toute personne qui se connecte sur la grille. Un prototype de grille est en cours de développement et de test: c’est le projet DataGRID, dans lequel sont impliqués plusieurs communautés (des physiciens, des biologistes…) dont le besoin est commun. Le deuxième axe de recherche concerne plus la médecine: GEANT est un logiciel de simulation Monte-Carlo développé au CERN et qui modélise les interactions des particules dans la matière. IL est très utilisé au laboratoire depuis 25 ans pour les détecteurs de particules: il permet de les simuler entièrement et ensuite de les optimiser en jouant sur leur géométrie par exemple. Ce logiciel est également utilisé depuis 2 ans pour simuler des dispositifs d’imagerie médicale (gamma-caméras) et étudier les dépôts d’énergie dans le corps humain lors d’un traitement de curiethérapie de l’œil. Le stage que nous vous proposons concerne cet aspect de modélisation en imagerie médicale Simulations Monte-Carlo avec GEANT4 en imagerie médicale et en curie-/radiothérapie optimiser les performances des détecteurs et des traitements améliorer la qualité des images étudier la faisabilité de nouvelles solutions technologiques ou médicales

L’équipe PCSV une recherche pluridisciplinaire Centre Jean Perrin Département de radiothérapie Dépôt de dose de plaques ophtalmiques Collaboration OpenGATE développement d’une plate-forme de simulation Monte-Carlo en médecine nucléaire CURIETHERAPIE D. Donnarieix L. Maigne MEDECINE NUCLEAIRE D. Lazaro INSERM U494 (Paris) simulation SPECT BIO-INFORMATIQUE Y. Legré Très rapidement, voici la composition de l’équipe ainsi que les collaborations les plus importantes: Côté Bioinformatique, l’équipe est activement engagé dans le projet DataGRID. En Curiethérapie: une thèse vient de démarrer au début du mois de novembre sur la modélisation du dépôt de dose de plaques ophtalmiques. Cette thèse s’effectue en co-encadrement avec une physicienne médicale, Denise Donnarieix, qui travaille à la fois au Centre Jean Perrin et dans l’équipe PCSV. En médecine nucléaire: diverses collaborations sont engagées, comme vous le voyez. Une thèse a commencé en novembre 2000 sur la modélisation de gamma-caméras avec GEANT4. Nous avons rejoint depuis un an la collaboration OpenGATE: cette collaboration regroupe plusieurs instituts de recherche intéressés à développer une plate-forme de simulation Monte-Carlo reposant sur GEANT4 permettant de modéliser facilement des dispositifs d’imagerie utilisés en médecine nucléaire. Dans le cadre d’une autre collaboration avec un laboratoire d’Athènes, on a utilisé GATE pour simuler une gamma caméra pour l’imagerie petit animal et vérifier que GATE reproduit bien la réalité! Enfin, nous collaborons pour les simulations en tomographie avec l’unité INSERM U494, qui fait également partie du projet GATE. C’est en partenariat avec cette unité que nous proposons le stage suivant. IASA Athènes validation de GATE sur une gamma-caméra petit animal Centre Jean Perrin Service de médecine nucléaire DataGRID

Geant4 Application for Tomographic Emission GATE a Monte-Carlo simulation platform for nuclear medicine based on GEANT4

Two imaging modalities morphological imaging (MRI, scanner, X-rays…) detailed information about the patient anatomy Functional imaging (nuclear medicine: SPECT, PET, …) non-invasive method: a radioactive drug is injected to the patient and naturally evacuated from the organism spatial distribution of the radiopharmaceutical in the body  study of the functional activity of an organ or a specific tissue (e.g tumor) SPECT Single photon emitters (99mTc  6 h) Resolution down to 7 mm PET Positron emitters (18FDG  2 h) Resolution down to 2 mm Multimodality Combined imaging modalities (e.g PET/CT) Resolution improved

Why simulations in Nuclear Medicine? Scanner design Image Reconstruction Simulation Protocol optimization Data analysis Algorithm testing Scatter correction Quantification recovery

Two approaches… General purpose simulation codes (GEANT4, EGS4, MCNP…)  wide range of physics  wide community of developers and users  documentation, maintenance and support  complexity  speed Dedicated simulation codes (PETsim, SimSET, Eidolon,…)  optimized for nuclear medical imaging applications (geometry, physics...)  ease of use and fast development  maintenance, upgrades

GATE: an attempt to merge both approaches PET/SPECT dedicated tools GATE GEANT4 core potentialities Realistic modelisation of PET/SPECT experiments modelisation of detectors, sources, patient movement (detector, patient) time-dependent processes (radioactive decay, movement management, biological kinetics) Ease-of-use Fast Long-term availability, support and training

GATE unique potentialities take advantage of GEANT4 toolkit and new developments SCANNER DESCRIPTION Geometry script (detectors, materials, …) Properties spectral resolution… RADIOACTIVE SOURCES Radioactive decay Digital images complex emission and absorption cards TIME Physical dynamics : decay Biological dynamics : drug kinetics Movements DYNAMICS Detector continuous movement rotation: SPECT, PET specific moves Source movement patient (heart beat…) external source USER FRIENDLY graphical interface user guide, examples

Geometry examples of GATE applications Multi-ring PET D. Strul IPHE Lausanne Triple-head gamma camera S. Staelens Uni Ghent

Validation of GATE against experiment Simulation of a small animal imaging gamma camera CsI(Tl) crystal array coupled to a PSPMT Small animal imaging (study of new radiopharmaceuticals) Lead shielding PSPMT LEHR collimator source CsI(Tl) crystal array crystal array

Les enjeux du déploiement sur grille Simulation en imagerie nucléaire Accélération des calculs Partage de données simulées Simulation en radiothérapie Idem Etendre l’utilisation de codes Monte-Carlo pour le calcul de dépôt de doses, beaucoup plus précis que les codes analytiques

Les différents niveaux de parallélisation le plus simple : chaque acquisition est envoyée sur un processeur différent moins simple : pour une acquisition donnée, diviser le nombre total d’évènements par le nombre de processeurs, envoyer en parallèle les jobs avec des générateurs random différents (GS) et concaténer le fichier de sortie plus complexe : lorsque l’on fait bouger le détecteur et/ou le fantôme, envoyer chaque run sur des processeurs différents encore plus complexe : paralléliser GEANT4, i.e traiter en parallèle plusieurs particules sur plusieurs processeurs

Les différentes stratégies de déploiement sur une grille Mise en œuvre Faut-il tout transporter entre les nœuds ? Exécutable Fichiers d’entrées Fichiers de sortie Vaut-il mieux pré-installer le code sur les noeuds ? Attention à L’introduction de biais par la parallélisation …

Sur quelles grilles mettre en œuvre le déploiement de GATE ? Banc-test de DataGrid Grille LOcale Pluridisciplinaire en Auvergne Ciment-GRID ?

LE PROJET DataGRID DataGRID est un projet Européen destiné à la mise en œuvre d’une Grille à gros volume de calcul et de données pour la recherche scientifique (Physique des particules, Observation de la terre, Biologie) CERN, CNRS-IN2P3, INFN,NIKHEF, PPARC, ESRIN 9,8 millions Euros - durée : trois ans (2001-2004) Objectifs principaux - développer un middleware basé sur l ’outil GLOBUS - déployer des testbeds à grande échelle - valider le concept de grille sur différents démonstrateurs

Groupe de travail biomédical (WP10) Spécification des besoins de l’imagerie médicale et de la génomique pour un environnement largement distribué Identifier des applications biomédicales pertinentes et les déployer sur le testbed de DataGRID Travail pluridisciplinaire: développement de la grille et des outils d’analyse par des informaticiens et des physiciens Déploiement des applications par des biologistes, des bio-informaticiens, des informaticiens,…

EXECUTION D’UN JOB SUR LA GRILLE Job Submission Service Information Index Replica Catalog Informations User Interface Sandbox JDL Resource Broker Résultat RSL Job Data Résultat Storage Element Computing

Status of WP10 applications Applications deployed Applications tested on EDG Applications under preparation Bio-informatics Phylogenetics : BBE Lyon (T. Sylvestre) Search for primers : Centrale Paris (K. Kurata) Statistical genetics : CNG Evry (N. Margetic) Bio-informatics web portal : IBCP (C. Blanchet) Parasitology : LBP Clermont, Univ B. Pascal (N. Jacq) Data-mining on DNA chips : Karolinska, LIMOS (R. Médina, R. Martinez) Geometrical protein comparison : Univ. Padova (C. Ferrari) Medical imaging MR image simulation : CREATIS (H. Benoit-Cattin) Medical data and metadata management : CREATIS (J. Montagnat) Mammographies analysis ERIC/Lyon 2 (S. Miguet, T. Tweed) Simulation platform for PET/SPECT based on Geant4 : GATE collaboration (L. Maigne)

GLOP Déploiement d’une grille locale de fermes de PC’s - Acquisition de compétences technologiques - Mise en oeuvre d’applications scientifiques LARAMA/LERMES (mécanique) LIMOS (informatique) LLAIC1 (Bio-informatique / imagerie médicale) LPC (Physique Corpusculaire) Pôle Modélisation (pluridisciplinaire) CEMAGREF Carte du réseau Vraiment Très Haut Débit

Calendriers… DataGrid (2001-2004) GLOP (2003-2006) Version 2 du middleware, nouvelles fonctionnalités GLOP (2003-2006) Début 2003 : noeuds de grille à l’IUT (LLAIC1), l’ISIMA(Pôle Modélisation) et au LPC Extension de la grille corrélée à l’évolution de la technologie Calendrier du déploiement de GATE Installation de GATE sur des nœuds GLOP et DataGrid (Jan 2003) Validation d’une application en curiethérapie (Feb-Mar 2003) Déploiement sur grille (Avril-Sept 2003) GLOP DataGrid Ciment ?