Optische Tomografie mit Grafikprozessoren
GPUs finden Tumore
Russische Forscher haben eine Methode zur präzisen Tumor-Bestimmung entwickelt. Die notwendigen Berechnungen lassen sich mit Hilfe von Grafikprozessoren in Minuten bewältigen - klassische CPUs würden Stunden benötigen.
Pro Jahr erkranken weltweit sechs Millionen Menschen neu an Krebs. Beim Kampf gegen diese Geißel ist die frühzeitige Diagnose von Tumoren einer der wichtigsten Faktoren überhaupt. Zu den fortschrittlichsten Methoden der optischen Diagnostik von Wucherungen gehört gegenwärtig die »Diffuse Optische Tomografie« (DFT, Diffuse Fluorescent Tomography). Bei diesem Verfahren werden spezielle Marker (komplexe organische Mole-küle) in den menschlichen Organismus injiziert, wo sie sich an die bösartigen Zellen heften.
Anschließend wird das Gewebe Licht einer bestimmen Wellenlänge ausgesetzt, die Marker beginnen zu fluoreszieren. Sind die Marker gefunden, ist auch der Ort der Tumore bekannt. Sehr aktiv auf dem Feld der DFT-Forschung sind die Experten des Instituts für Angewandte Physik an der RAS (Russian Academy of Sciences) in Moskau. Das Labor für Biophotonik des Instituts entwickelt Methoden und entwirft Gerätschaften zur optisch-biomedizinischen Diagnostik.
Kernthema der Forschungsarbeit ist die Weiterentwicklung der Diffusen Optischen Tomografie. Hauptproblem der DFT-Technik: Bei seinem Weg durch das Gewebe streut das Licht stark, daher sind die Umrisse der leuchtenden Areale nur schwer zu erkennen - vor allem dann, wenn sie in tieferen Schichten liegen. Durch das Experimentieren mit verschieden positionierten Lichtern und Detektoren konnten die Experten des Instituts für Angewandte Physik an der RAS spezielle Algorithmen entwickeln, mit denen sich die dreidimensionale Verteilung der Phosphore im Gewebe rekonstruieren lässt. Somit sind Ort und Geometrie der Tumore präzise zu bestimmen.
Aleksei Katichev, Junior Research Fellow am Institut, sagt: »Wir nutzen bei unseren Forschungen die Monte-Carlo-Methode, also die numerische Simulation der Strahlungsverteilung in einem Medium. Diese Technik verlangt allerdings nach reichlich Rechenleistung: Die Simulation eines typischen Falles erfordert das Berechnen von rund einer Milliarde Pfade. Mit Systemen auf CPU-Basis würden wir immens viel Zeit für ein einziges Experiment benötigen, teilweise vergehen dabei mehrere Stunden. Dies war nicht hinnehmbar.«
Katichev erklärt, wie die Forschungsgruppe den Durchbruch schaffte: »Der Wechsel auf die GPU-basierte Architektur von NVIDIA CUDA erhöhte die Leistung um mehr als das hundertfache. Ein durchschnittlicher Durchlauf konnte von zweieinhalb Stunden auf gerade einmal neunzig Sekunden verkürzt werden. Aufgrund dieser Zeitersparnis konnten wir die Anzahl der Pfade erhöhen und so die Präzision der Ergebnisse deutlich steigern.« Der Einsatz des Algorithmus‘ ist nicht auf die Diffuse Optische Tomografie limitiert.
Die Forscher wollen seine Anwendbarkeit auch bei Strahlentherapien studieren. Diese Technik kommt bei der Behandlung von Krebserkrankungen zum Einsatz, bringt aber Nebenwirkungen mit sich. Insbesondere die Verteilung der Strahlung im Gewebe lässt sich immer noch nicht genau berechnen. Es bleibt also das Risiko, gesunde Organe durch die Strahlung zu verletzen. Mit Modellen zur genauen Strahlungsverteilung im Körper könnten Mediziner exakt die betroffenen Areale behandeln.
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