Новые технологии в диагностике опухолей

Ежегодно в мире регистрируется порядка 6 миллионов новых случаев заболевания раком. Одним из ключевых факторов в борьбе с  этой страшной болезнью является  диагностика опухолей на ранних стадиях. Применение методов оптической биомедицинской диагностики в сочетании с технологиями NVIDIA позволяют находить злокачественные новообразования  в 100 раз быстрее.

Диффузная флуоресцентная томография (ДФТ) – один из новых современных методов оптической диагностики опухолей. В организм вводятся специальные флуоресцентные маркеры (сложные органические молекулы), которые прикрепляются к злокачественным клеткам. Подсветка тканей на определенной длине волны вызывает флуоресценцию маркеров, и ее регистрация позволяет определить место расположения опухоли.

Основная сложность метода ДФТ заключается в том, что свет, проходящий в биологических тканях, подвергается сильному рассеянию. Поэтому непосредственно увидеть очертания светящейся области, особенно если она расположена на значительной глубине, невозможно.

В результате экспериментов с различным расположением подсветки и детекторов, специалисты Института прикладной физики РАН разработали специальные алгоритмы реконструкции трехмерного распределения флуорофоров в тканях, которые позволяют точно определить место расположения и геометрию опухоли.
Алексей Катичев, младший научный сотрудник Института,  отмечает: «В своих исследованиях мы использовали метод Монте-Карло (ММК) — метод численного моделирования распространения излучения в среде. При всех своих достоинствах, этот метод требует огромных вычислительных ресурсов системы:  моделирование типичной ситуации требует расчета порядка миллиарда случайных траекторий! На проведение одного эксперимента силами CPU первоначально у нас уходило значительное время – до нескольких часов. Это было неприемлемо. Перенос вычислений на архитектуру графических процессоров NVIDIA CUDA дал более чем стократный прирост производительности. Среднее время получения результата уменьшилось с двух с половиной часов до 1,5 минут. Сокращение времени расчетов позволило увеличить число траекторий и, как следствие, значительно повысить точность результатов».

Применение данного алгоритма моделирования не ограничивается задачами ДФТ. В перспективе предполагается  его использование в планировании лучевой терапии. Известно, что этот метод активно применяется в лечении онкологических заболеваний, но имеет ряд побочных эффектов – при радиационном воздействии зона облучения определяется недостаточно точно, поэтому возникает риск повредить  здоровые органы. Если же научиться точно моделировать прохождение излучения через всё тело, процедура станет более эффективной и безопасной. Решение подобной задачи требует огромных вычислительных мощностей, обеспечить в приемлемое время могут только GPU.

Лаборатория биофотоники Института прикладной физики РАН создана более 15 лет назад, в настоящее время занимается разработкой методик и созданием приборов для оптической биомедицинской диагностики. Одним из ключевых направлений ведущихся исследований является разработка оптической диффузионной томографии и ее флуоресцентной модификации.

NVIDIA CUDA — это программно-аппаратная архитектура, позволяющая использовать GPU для вычислений общего назначения. Архитектура CUDA обеспечена широкой поддержкой популярных языков программирования и API, включая Microsoft DirectCompute, OpenCL, CUDA C, CUDA Fortran и др. NVIDIA продолжает дальше развивать среду разработки CUDA, увеличивая спектр инструментов и библиотек для исследователей и ученых. Тысячи разработчиков программного обеспечения, ученых и исследователей широко используют CUDA в различных областях, включая обработку видео, астрофизику, вычислительную биологию и химию, моделирование динамики жидкостей, электромагнитных взаимодействий, восстановление изображений, полученных путем компьютерной томографии, сейсмический анализ, трассировку лучей и многое другое.

NVIDIA открыла миру мощь компьютерной графики с изобретением GPU в 1999 году. С тех пор компания периодически устанавливает новые стандарты в области визуальных вычислений, позволяя создавать захватывающую интерактивную графику на различных устройствах – от планшетных ПК и медиаплееров до ноутбуков и рабочих станций. Опыт NVIDIA в создании программируемых GPU привел к прорывам в области параллельных вычислений, сделав суперкомпьютеры недорогими и широко доступными. Компания обладает более 1600 патентами по всему миру, включая те, что легли в основу современных вычислений.