Суперзадачи современной биофизики для суперкомпьютеров А.М.Сергеев Суперзадачи современной биофизики для суперкомпьютеров А.М.Сергеев

Биоимиджинг, оптическая томография, радиационная терапия Расчет компактных лазерных ускорителей заряженных частиц для радиационной терапии Молекулярная динамика для био- и нано- инженерии Моделирование функционирования мозга и мозг-компьютерных интерфейсов Суперзадачи для суперкомпьютера

Расчет распространения большого числа фотонов в сильно рассеивающих средах для реконструкции их внутренней структуры Расчет дозы для проведения радиационной терапии Алгоритм расчета – Метод Монте-Карло –Идеальное распараллеливание (не требуется обмен данными) –Идеально подходит для ГПУ (эффективность близка к 100%) Биоимиджинг, оптическая томография, радиационная терапия нм794 нм850 нм Результаты оптической томографии молочной железы (диагноз: рак правой молочной железы T1N0M0, I ст.)

Глубина проникновения [мм] Длина волны [нм] Поглощение [отн.ед.] Поглощение света в биоткани Терапевтическое окно прозрачности

Траектории фотонов в сильно рассеивающей среде (метод Монте-Карло) Толщина среды D = 5 мм Коэффициент рассеяния в среде s = 4 мм -1 Средний косинус угла рассеяния g = 0.9 Коэффициент затухания в среде a = 0.01 мм -1 Зондирующее ИК излучение Баллистические фотоны Диффузный свет Светодиффузионная томография Просветная томография на "ранних" фотонах Оптическая когерентная томография Опто-акустическая томография Акусто-оптическая томография

Формирование изображения поглощающего объекта Толщина среды D = 5 мм Коэффициент рассеяния в среде s Коэффициент затухания в среде a = 0.01 мм -1 Коэффициент затухания на объекте о = 10 мм -1 s = 0.2 мм -1 s = 4 мм -1 Селекция траекторий с длиной < 5.5 мм Временные "ворота" приема ~ 1.5 пс Зондирующее ИК излучение Детектор

Формирование изображения в опто-акустической томографии Акустический детектор Коэффициент рассеяния в среде s = 6 мм -1 Коэффициент затухания в среде a = 0.01 мм -1 Коэффициент затухания на объекте о = 10 мм -1 Толщина среды D = 5 мм Средний косинус угла рассеяния g = 0.8

Формирование изображения в опто-акустической томографии Акустический детектор Толщина среды D = 5 мм Средний косинус угла рассеяния g = 0.8 Коэффициент рассеяния в среде s = 6 мм -1 Коэффициент затухания в среде a = 0.01 мм -1 Коэффициент затухания на объекте о = 10 мм -1

Сегодня на ПК: расчет 10 8 фотонов ~ 100 TFlop ~ 1 час (только простейшие модельные случаи) Суперкомпьютер 1 PFlops: расчет фотонов ~ 100 PFlop ~ 2 мин (применение для реальных задач) Биоимиджинг, оптическая томография, радиационная терапия Реконструкция изображений внутренней структуры органов в режиме реального времени (!) Планирование радиационной терапии для всех онкологических центров страны на одном суперкомпьютере (!)

Исследования процессов взаимодействия предельно коротких лазерных импульсов релятивистской интенсивности с твердотельными мишенями в контексте поиска принципиальных концепций и оптимизации параметров для генерации протонных пучков с энергией порядка 100 МэВ – 1 ГэВ Важнейшие применения для адронной терапии, протонографии и инерционного термоядерного синтеза Алгоритм – расчет эволюции электромагнитного поля методом конечных разностей + расчет релятивистских уравнений движений «крупных» частиц Компактные лазерные ускорители В ИПФ РАН ведутся передовые исследования с использованием мощнейших российских и зарубежных суперкомпьютеров

Алгоритм может быть эффективно распараллелен при использовании специальных алгоритмических решений, снижающих интенсивность обмена данными и частоту обращений к памяти Возможности на суперкомпьютерах 10 TFlops (сегодня): 1 млрд. ячеек поля, 10 млрд. частиц ~ 5000 PFlop ~ 1 неделя Возможности на суперкомпьютере 1 PFlops: 1 млрд. ячеек поля, 10 млрд. частиц ~ 5000 PFlop ~ 1 час Компактные лазерные ускорители Эффективное исследование и 3d проектирование реальных лазерных ускорителей частиц

Селекция по времени прилета в просветной и отражательной моде Коэффициент затухания на объекте ао = 20 мм -1 Сильно поглощающий объект Сильно рассеивающий (отражающий) объект Коэффициент рассеяния на объекте sо = 8 мм -1 Коэффициент рассеяния в среде s = 1 мм -1

Использование фемтокоррелированных источников света для томографии биотканей 500 m 1 Делительное зеркало Опорное плечо Зеркало Предметное плечо Детектор Источник фемтокоррелированного излучения Объект Схема интерферометрии для оптической когерентной томографии

Принципиальная схема прибора для оптической когерентной томографии

Оптический когерентный томограф совместного производства Imalux Inc (USA) - ИПФ РАН

Эндоскоп с компактным ОКТ зондом, введенным через биопсийный канал. Полученные изображения слизистой пищевода in vivo демонстрируют соответствие со стандартной гистологической картиной. Длина полосы 1 мм, обведенная зона соответствует изображению. Эндоскоп с компактным ОКТ зондом, введенным через биопсийный канал. Полученные изображения слизистой пищевода in vivo демонстрируют соответствие со стандартной гистологической картиной. Длина полосы 1 мм, обведенная зона соответствует изображению.

Оптическая когерентная томография в ларингологии Здоровая слизистая Раковая опухоль Граница опухоли

Использование ОКТ в мониторинге органосохраняющих операций Рак мочевого пузыря Та фокус опухоли папиллома с началом малигнизации (Та) 0,3 см от опухоли гиперплазия эпителия с легкой дисплазией 1,5 см от опухоли проросшие сосуды в гиперплазированном в гиперплазированном эпителии эпителии

Ниша ОКТ Microscopic 1hr-2wk delay Greatest resolution Invasive Mesoscopic Real time Better resolution Noninvasive Macroscopic Real time Low resolution Noninvasive 0.1 mm 1 cm 1 mm Endoscopic Ultrasound Optical Coherence Tomography (OCT) High Magnification Histology

Светодиффузионная томография Зондирующее ИК излучение Диффузный свет Подходы к решению: Итерационное восстановление рассевающих и поглощающих свойств среды по нескольким конфигурациям приемник-источник (R.Barbour et al., M.Patterson et al., S.Arridge et al., E. Sevick-Muraca et al., В.Шувалов, МГУ), генетические алгоритмы (A.Hielscher et al.). Восстановления по наиболее вероятным траекториям фотонов между приемником и источником (В.Любимов, ГОИ им.Вавилова) Использование особенностей Волн Фотонной Плотности - PDW (B.Chance et al, S.Fantini et al)

An experiment (S.Fantini et al., (1998)) to measure ac amplitude and phase of PDW with 690 nm probing light versus the position along the tissue revealed a tumor centered at x (t) = 4.9 cm. The continuous curves are the fits of a smooth function to the experimental data out of the tumor region. Four different phase curves (labeled 1-4 in) were considered to estimate the sensitivity of the method to a particular choice for the background phase Волны фотонной плотности

Светодиффузионная томография для детектирования опухолей молочной железы Siemens, 2003

Комбинация образов на разных длинах волн для контрастирования содержания Hb и HbO 2 Комбинация образов на разных длинах волн для контрастирования содержания Hb и HbO 2

Maximum energy E~100~200MeV Number proton > /sec Carbon > 10 9 /sec.in Energy spread Mono-energy 1~10% variable Beam Quality Low emittance What should we do to get a ion beam needed for cancer therapy? Final Objective

x, micron y, micron Target Normal Sheath Acceleration –Small Intensities 2D (I= W/сm 2 )

Rarified Target 2D, I=10 22 W/cm x,micron -6 6 y,micron

Ion acceleration in thin foil (3D, gold, I=10 22 W/сm 2 )

l Prospective applications of ultra-intense lasers Imaging (PET, ultrashort X-Rays) Therapy (electrons and hadrons)

Factory of short living isotopes for PET Моtivation: For PET, isotopes with lifetime of tens of minutes are used produced with the aid of cyclotron accelerated protons ( ~ 10 МeV) in (p,n) reaction. This isotopes should be produced close to the clinic site. Ideally, each clinic with PET should be equipped with a compact isoptope source. Challenge: To create a compact laser system to produce ~ 10 МeV protons with a sufficient particle/s rate Possible solution: To use interaction of 100 TW, 100 Hz femtosecond lasers with solid state targets

Positron Emission Tomography

Lasers may make PET scans cheaper Radioactive materials for medical imaging produced at lower cost. PET scanning could become cheaper and more widespread, thanks to a new bench- top way to produce rare radioactive atoms 1. Current methods of making radioisotopes render the medical-imaging technique cumbersome and expensive. 1 The problem is that these isotopes decay quickly - within minutes or hours. So they have to be made at the same place and time as the scan, by particle accelerators that fire beams of protons at other materials. "Due to the size, cost and shielding required for such installations, PET is limited to only a few facilities," explains Victor Malka of the École Polytechnique in Palaiseau 17 October 2003 PHILIP BALL PET scans rely on the radioactive decay of isotopes. © SPL S. Fritzler et al., Appl. Phys. Lett p beam

LOA old parameters W/cm 2, 36fs W/cm 2, 36fs W/cm 2, 36fs 11.9 Bq 245 kBq 69 kBq 1.56 MBq optimized parameters W/cm 2, 36fs 1 shot 0.1 Hz, 30min 10 Hz, 30 min 1.34 kBq 28 MBq 7.8 MBq 176 MBq 134 kBq 2.8 GBq 780 MBq 17.6 GBq PET Isotope Production 11 B(p,n) 11 CT 1/2 = 20,4 min, Q-value = 2,8 MeV 18 O(p,n) 18 FT 1/2 = 109,7 min, Q-value = 2,4 MeV S. Fritzler et al., Appl. Phys. Lett typical patient dose for PET is 200 MBq and it is necessary to go up to 800 MBq so that fast chemistry can be performed. p beam

Laser ion sources for hadron therapy Motivation: For proton and ion therapy, ions with ~ 200 МeV for localized energy deposition in the depth of biotissue are required. Expensive cyclotrons and synchrotrons with beam targeting systems are used, which makes proton therapy not available for many patients. The cost of a laser ion source is estimated to be an order of magnitude less. Challenge: To create a compact laser system to produce ~ 200 MeV protons with > particle/s rate and monoenergetic (< 10%) energy distribution Possible solution: To use interaction of Petawatt, 10 Hz femtosecond lasers with solid state targets

Laser ion sources for hadron therapy Mamiko Nishiuchi et al, LPHYS05 Advanced Photon Research Center Japan Atomic Energy Research Institute magnet Ion beam Laser Plasma Ion Source 10 billion yen (~10 million $) Synchrotrone Ion Source billion yen (~100 million $) Proton Accelerator Laser system ~30m

Исследование молекулярных механизмов функционирования биологических молекул - фотосинтез - синтез биомолекул - генная регуляция Био- и нано-инженерия - самосборка биомолекул - регенерация живых тканей - сборка наноразмерных молекулярных структур Молекулярная динамика для био- и нано- инженерии

Метод расчёта – классическая динамика атомов с близкодействующими взаимодействиями - можно эффективно распараллеливать (низкая интенсивность обмена данными за счет близкодействия) - высокая степень применимости ГПУ Характерные значения (сегодня): до 100 тыс. атомов ~ 10 PFlop Возможности с суперкомпьютером 1 PFlops: - число атомов до 10 млн. ~ 1000 PFlop ~ 1 час - более реальные (квантовые) модели взаимодействия Молекулярная динамика для био- и нано- инженерии Возможность получения передовых результатов

Моделирование функционирования нейронных сетей (совокупности нейронных клеток соединённых синаптическими связями) позволяет интерпретировать экспериментальные данные, служит источником идей для разработки алгоритмов и систем искусственного интеллекта Алгоритм расчета – метод Рунге-Кутта для модельных систем обыкновенных дифференциальных уравнений (нейроны) – распространение импульсов по связям – модель эволюции связей Алгоритм может быть эффективно распараллелен при использовании специальных алгоритмических решений, снижающих интенсивность обмена данными и частоту обращений к памяти Моделирование функционирования мозга и мозг- компьютерных интерфейсов

Возможности на ПК - до 1000 нейронов (из-за малого числа нейронов не проявляются важнейшие эффекты) Возможности с суперкомпьютером 1 PFlops: - динамика до 1 млн. нейронов (фрагмент 1 мм 3 ) в реальном времени! Моделирование функционирования мозга и мозг- компьютерных интерфейсов Беспрецедентная возможность исследовать полноценное взаимодействие компьютерного и природного мозга в реальном времени! Европейский проект Blue Brain 1 мм 3 : 1 PFlops В реальном времени!