Simulations pour la radiothérapie: problématiques de calcul massif

• 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

Plan

• La radiothérapie et les simulations Monte Carlo

• Contexte de nos recherches

• Problématiques de calcul massif

• Conclusion et perspectives

La radiothérapie conventionnelle

Proton et hadron-thérapie

Radio vs. hadron-thérapie

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)

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

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)

Planification de traitement (PT)

• Doc : GSI, Allemagne

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

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

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

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

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.

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

ThIS

• ThIS = Therapeutic Irradiation Simulator

• Voir http://www.creatis.insa-lyon.fr/rio/ThIS

ThIS : navigation optimisée

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

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

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

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 !

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

Conclusion

• Radio et surtout hadronthérapie : forts besoins de temps de calcul pour simulations Monte Carlo

• Utilisation de cluster ou grille indispensable

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