Titulo Estágio
Cálculo de dose de radiação em CUDA
Áreas de especialidade
Engenharia de Software
Local do Estágio
Laboratório de Informática e Sistemas IPN, Coimbra
Enquadramento
Um dos mais importantes processos no tratamento por radioterapia é o de construção dos planos de tratamento (podendo ser também referida por dosimetria). Este processo consiste em configurar um conjunto de parâmetros que irão determinar como irá ser aplicado o tratamento radioterapêutico ao doente. Esses parâmetros determinam o alinhamento do doente perante o equipamento emissor de radiação, o conjunto de feixes e respetiva direção e intensidade, que irão ser emitidos em direção ao volume alvo delineado pelo radioterapeuta. O que se pretende é encontrar uma configuração que permita irradiar o volume a tratar de acordo com o definido na prescrição médica, e, ao mesmo tempo, minimizar a dose absorvida pelos órgãos e tecidos saudáveis.
O planeamento do tratamento é realizado, tipicamente, por um físico (especialidade em física médica) ou dosimetrista, e deve ser aprovado por um radioterapeuta antes da sua aplicação.
A construção dos planos de tratamento é, hoje em dia, feita com recurso a software especializado (Treatment Planning System ou TPS), que permite obter diferentes planos através da definição de um conjunto de parâmetros como pesos e limites associados às diferentes estruturas de interesse (volumes a tratar e órgãos a poupar), sendo que alguns aspectos da configuração do tratamento podem ter de ser definidos à partida (como os ângulos ou arcos de irradiação). O planeamento do tratamento tem por base as imagens de tomografia axial computorizada do paciente, onde todas as estruturas de interesse foram delineadas. O tratamento consiste, normalmente, num conjunto de sessões diárias. No decorrer do tratamento, é possível que as características do tumor e a própria anatomia do doente possam sofrer alterações que justifiquem um replaneamento do tratamento (transformação do tecido tumoral e emagrecimento do paciente).
O tempo de planeamento de um tratamento depende da complexidade do caso a tratar. O tipo de tumor, mas principalmente a sua forma e localização relativa a órgãos críticos do doente, leva a que a construção varie entre 3 horas em casos mais simples e dias em casos mais complexos. O facto de ser impossível prever de antemão a complexidade dos casos que irão surgir em cada Centro de Radioterapia, gera um elevado grau de ineficiência gerado pelo subaproveitamento, quer de equipamentos e software a eles associados, quer de profissionais.
Esta dissertação será integrada num projeto de investigação em co-promoção, cujo objectivo consiste na implementação de um sistema, num modelo Software as a Service (SaaS), que exponha um conjunto de ferramentas e serviços para Médicos Radiologistas e Dosimetristas, desenhados para, por um lado, aproximar a oferta e procura de profissionais especializados e, por outro lado, agilizar o processo de construção de planos de tratamento para um determinado paciente.
Objetivo
Esta dissertação tem como principal objetivo a análise dos diferentes algoritmos de cálculo de dose usados pelos Treatment Planning Systems atuais.
O trabalho deverá assentar no planeamento, restruturação e implementação de pelo menos dois dos algoritmos mais conceituados usados para o cálculo de dose de radiação depositada nos tecidos de doentes oncológicos, quando expostos a feixes de radiação (fotões e protões) emitidos pelos aceleradores lineares usados nos tratamentos de radioterapia. Os algoritmos a implementar são as variantes para cálculo de dose de radiação depositada, dos métodos de cálculo Pencil Beam [3,4] e o Monte Carlo[1,2].
A implementação deverá paralelizar quanto possível os cálculos a efetuar em cada um dos algoritmos.
A solução final deverá fazer uso do poder computacional em paralelo das Graphics Processing Units (GPU) disponíveis através de serviços Cloud usando a linguagem CUDA para esse efeito.
O nível possível de paralelização destes algoritmos é ainda um problema em aberto, pelo que, acreditamos que possam surgir contribuições científicas relevantes deste trabalho.
Os algoritmos de cálculo de dose irão ser disponibilizados aos restantes componentes do sistema no formato de um serviço web que permita a execução e obtenção de resultados de forma remota.
A validação das soluções implementadas de cálculo de dose irão ser feitas com base em dados fornecidos pela empresa envolvida no projeto, que tem acesso a diversos centros de radio-terapia, que se mostraram disponíveis para fornecer esses dados. Os dados de validação consistem em planos de radio-terapia, devidamente anonimizados, que contêm já os depósitos de dose calculados, calculo este efetuado por Treatment Planning Systems certificados para uso em ambiente real hospitalar, e usados no dia a dia destes centros de radio-terapia.
Citações:
(1) - Kawrakow, Iwan, and Matthias Fippel. "Investigation of variance reduction techniques for Monte Carlo photon dose calculation using XVMC." Physics in Medicine & Biology 45.8 (2000): 2163.
(2) - Fippel, Matthias. "Fast Monte Carlo dose calculation for photon beams based on the VMC electron algorithm." Medical physics 26.8 (1999): 1466-1475.
(3) - Ahnesjö, Anders, Mikael Saxner, and Avo Trepp. "A pencil beam model for photon dose calculation." Medical physics 19.2 (1992): 263-273.
(4) - Mohan, Radhe, C. Chui, and L. Lidofsky. "Differential pencil beam dose computation model for photons." Medical Physics 13.1 (1986): 64-73.
Plano de Trabalhos - Semestre 1
- Revisão da literatura
- Identificação e familiarização com ferramentas úteis ao trabalho
- Identificação de dados usar no treino e validação dos modelos
- Análise de requisitos
- Elaboração da proposta de dissertação.
Plano de Trabalhos - Semestre 2
- Experimentação
- Implementação de soluções
- Avaliação das abordagens propostas
- Elaboração da dissertação de mestrado.
- Escrita de artigo científico.
Condições
O local de trabalho será no Laboratório de Informática e Sistemas do IPN, caso a situação pandémica o permita.
O trabalho será integrado num projeto de investigação em co-promoção, no âmbito do qual o estudante se poderá candidatar a uma bolsa de investigação para licenciado, durante um período de 6 meses renovável, no valor de 835€ / mês.
Observações
Durante a fase de candidatura, dúvidas relacionadas com esta proposta, nomeadamente acerca dos objectivos e condições, devem ser esclarecidas com os orientadores, através de e-mail ou de uma reunião, a marcar após um contacto por e-mail.
Orientador
Hugo Dinis Pereirinha da Silva Amaro
hamaro@ipn.pt 📩