Desde que los láseres se produjeron por primera vez a principios de la década de 1960, los investigadores han trabajado para aplicar la tecnología láser desde la soldadura de metal hasta las cirugías, con la tecnología láser avanzando rápidamente en los últimos 50 años.
La cirugía, la quimioterapia y la radioterapia juegan un papel importante en el tratamiento del cáncer, y a veces los mejores éxitos provienen de combinar los tres enfoques.
Por lo general, los médicos realizan la forma más común de radioterapia con rayos X, que pueden penetrar en el tejido y matar las células cancerosas en los tumores profundos. Desafortunadamente, estos mismos rayos X también pueden dañar el tejido sano que rodea el tumor.
Por lo tanto, en los últimos años, el uso de haces de partículas pesadas, como protones o iones, se ha enfocado. Estos haces pueden depositar la mayor parte de su energía dentro del tumor, al mismo tiempo que dejan intactos los tejidos sanos.Desafortunadamente, estos rayos provienen de aceleradores de partículas voluminosas, lo que hace que el costo del tratamiento sea prohibitivo para muchos pacientes.
En el laboratorio de investigación alemán Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR, los investigadores están buscando reemplazar los aceleradores de partículas con láseres de alta potencia. Los campos electromagnéticos del láser pueden acelerar los iones en muy poco tiempo, reduciendo así efectivamente la distancianecesitaba acelerar los iones a energías terapéuticas de varios metros a unos pocos micrómetros.
Como científico con experiencia en investigación de aceleradores y física del láser, el investigador del HZDR Michael Bussmann tiene como objetivo comprender y controlar este nuevo método de aceleración de partículas para que esté disponible para el tratamiento del paciente. "Vengo de la investigación del acelerador y la física del láser, y quémi equipo y yo hemos estado observando cómo hacemos un mejor uso de los láseres de alta potencia para que puedan reemplazar los aceleradores para aplicaciones como el tratamiento de tumores cancerosos ", dijo Bussmann.
"Esto es física fundamental por un lado, ya que el pulso láser desgarra toda la materia que se encuentra en un objetivo, generalmente una lámina metálica muy delgada o una pequeña esfera, separando los bloques de construcción de los átomos: electrones cargados negativamente y positivamentenúcleos atómicos cargados, iones, uno del otro. Este estado de la materia se llama plasma ", explicó Bussmann." Por otro lado, también tiene aplicaciones reales. Las simulaciones juegan un papel único, ya que los experimentos aún no sonmuy reproducible y realmente no podemos diagnosticar lo que sucede en unos pocos femtosegundos "
Para observar que estas interacciones a escala atómica suceden muchas veces por segundo, el equipo de Bussmann está utilizando la supercomputadora Cray XK7 Titan ubicada en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE ubicadaen el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE ORNL.
Bussmann explicó que sin acceso a recursos de supercomputación de clase de liderazgo, su equipo no podría ejecutar simulaciones tan complejas de manera eficiente. "Necesito simular un gran volumen de átomos en una escala de tiempo muy larga", dijo Bussmann.La única forma de hacerlo es a través de la supercomputación, porque el gran volumen necesita mucha memoria y las escalas de tiempo prolongadas significan que necesito mucha potencia de cálculo, y ahí es donde entran en juego las GPU ".
Titan utiliza CPU tradicionales junto con GPU de alta velocidad, o unidades de procesamiento de gráficos, para acelerar las simulaciones. El equipo de Bussmann hace todos sus cálculos en las GPU de Titan a un ritmo 10-100 veces más rápido de lo que es posible en máquinas con CPU."Ya no pensamos en simulaciones en términos de horas de CPU sino en cuadros por segundo", dijo Bussmann, describiendo el efecto que esta aceleración ha tenido en la investigación del equipo.
Partículas a pulsos láser
Cuando se usan láseres para tratar tumores, los investigadores deben trabajar dentro de parámetros extremadamente pequeños. Por lo general, un equipo debe apuntar un pulso láser a un objetivo del mismo tamaño que el foco del láser, no más de varios micrómetros de largo. Los investigadores luego suspenden unmaterial de lámina delgada; luego, usan el láser para excitar los electrones conectados a sus átomos y alejarlos de los átomos. Al final, la fuerte separación de electrones cargados negativamente y ahora átomos cargados positivamente, o iones, crea las fuerzas queacelerar un haz de iones hacia el tumor.
Hasta hace poco, los láseres que proporcionaban pulsos con suficiente potencia para alcanzar altas energías iónicas eran grandes y costosos. Ahora, las nuevas tecnologías, como los diodos láser de eficiencia energética, que ayudan a aumentar la potencia del láser, han hecho que estos sistemas sean mucho más compactos.Además, como la mayor parte de la energía eléctrica utilizada para operar estos láseres se puede convertir en energía de luz láser, los investigadores ahora pueden tomar varios cientos de disparos láser por minuto. Esta es una gran ganancia en comparación con varios disparos por día que fueron posibles con el primer lásersistemas.
Con esta ganancia, los investigadores pueden producir haces de iones acelerados por láser a la velocidad necesaria para tratar a los pacientes, reduciendo el tiempo de tratamiento potencial a varios minutos, ahorrando así costos y haciendo que el procedimiento sea más fácil de soportar para los pacientes. Aún así, los investigadores deben realizar un extenso trabajoInvestigue no solo para aumentar la energía de los iones para alcanzar incluso los tumores profundos, sino también para controlar realmente el haz lo suficientemente bien como para ser utilizado rutinariamente en un tratamiento médico. Debido a las demandas de energía, esta tecnología aún está en su infancia y puede requerirvarios años antes de que pueda usarse en aplicaciones clínicas.
Los iones son ideales para apuntar con precisión al tejido canceroso. A diferencia de los rayos X, los iones no liberan mucha energía en el tejido antes de detenerse por última vez dentro del tumor. Allí, liberan una explosión repentina de energía restante,depositar la dosis letal de radiación directamente en el tumor. El uso de haces de iones permite a los profesionales médicos calcular exactamente dónde deben detenerse los iones; con un objetivo preciso, pueden matar solo las células tumorales y ahorrar la gran mayoría de las células sanas cercanas.
Simulaciones exitosas de estudiantes
En agosto de 2008, el equipo recibió un impulso improbable en sus capacidades computacionales en la forma de Heiko Burau, una estudiante de secundaria de 17 años. Ganó un "Jugend forscht" alemán o premio de investigación juvenil, lo que le permitió trabajar con expertos enuna prestigiosa institución de investigación alemana. Este premio permitió a Burau trabajar con el grupo de Bussmann, y los resultados se notaron de inmediato: en 6 semanas, el programador de GPU del estudiante había creado la primera simulación bidimensional acelerada de GPU del equipo. Burau ahora está comenzando su diplomatesis - todavía como parte del equipo HZDR.
El trabajo inicial de Burau ha sido recogido por un equipo cada vez mayor de jóvenes investigadores. Axel Huebl, quien se unió al equipo un año después de Burau, ha introducido el código para hacer un uso óptimo de todas las GPU de Titán, lo que le ha permitido ganar tiempo en Titána través del innovador y novedoso programa Computational Impact on Theory and Experiment INCITE del DOE para su investigación de doctorado sobre radioterapia dirigida por láser del cáncer. El equipo ha estado desarrollando su código, PIConGPU partículas en la célula en unidades de procesamiento de gráficos durante 8 años,con estudiantes universitarios que realizan gran parte del trabajo de desarrollo. Aunque algunos podrían ver esto como un signo de inexperiencia, Bussmann adora el enfoque juvenil de su equipo para resolver problemas.
"Nuestro grupo está lleno de jóvenes; de lo contrario, no podríamos haber hecho esta investigación", dijo Bussmann. "Una de las principales razones es porque no teníamos miedo de hacerlo. Si estás seguro de que las cosas van ase pone difícil por el camino, tal vez un grupo mayor no iría allí, pero dijimos, 'solo intentémoslo', y funcionó "
Por su trabajo en PIConGPU, el equipo de Bussmann fue nombrado finalista para el Premio Gordon Bell 2013, uno de los honores más prestigiosos en supercomputación.
Además de los desarrolladores de estudiantes, los veteranos de OLCF también han ayudado a optimizar PIConGPU para Titan. El Grupo de Datos Científicos de ORNL, dirigido por Scott Klasky, ha ayudado al equipo a mejorar drásticamente su capacidad de escribir petabytes de datos de la simulación y moverlos entre Titany otros recursos informáticos ORNL. Para abordar las preocupaciones de E / S, el equipo ha estado utilizando el Sistema de E / S Adaptable, o ADIOS, desarrollado por el Grupo de Datos Científicos. ADIOS ha permitido una mejora de diez veces para las capacidades de E / S del equipo.
David Pugmire, experto en visualización de ORNL, también está colaborando con el equipo para desarrollar una visualización a gran escala de sus datos, lo cual es de gran ayuda. "Hemos realizado este tipo de visualización en otros proyectos, pero eso en sí mismo es una granesfuerzo. Esa es un área donde recibimos mucha ayuda de Oak Ridge, y estamos impresionados por lo lejos que llega esta ayuda ", dijo Bussmann.
Debido a sus diversas colaboraciones y trabajo diligente en Titán, el equipo pudo crear algunas de las simulaciones tridimensionales más realistas de interacciones de láser de alta potencia con objetivos que están en la escala del foco del láser. Con la potencia de cálculo disponible, el equipo podría usar objetivos a densidades cercanas a lo que se usa en los experimentos.
Además, el equipo puede incluir efectos que ocurren en escalas de tiempo mucho más largas que la interacción del pulso láser en sí y que influyen fuertemente en el resultado de los experimentos. Uno de los principales avances se ocupó de la creación de plasma causada por la energía láser depositada enel objetivo mucho antes de que la parte principal del pulso láser llegue al objetivo. Este llamado preplasma puede ser mucho más grande que el objetivo inicial, lo que significa que el equipo tiene que simular un volumen mucho mayor. Estos efectos están presentes tanto en experimentos como ensimulaciones a gran escala, por lo que el equipo puede ofrecer una comparación mucho más detallada entre simulación y experimento.
Aunque el equipo ha logrado avances importantes con Titan, hay mucho margen de mejora. Bussmann señaló que mejorar aún más la física a nivel atómico en las simulaciones de su equipo ayudaría a mejorar la precisión. Idealmente, el equipo podría usar una base de datos para describir cadaátomo con las respectivas configuraciones electrónicas de cada átomo.
Describir miles de millones de interacciones a nivel atómico en escalas de tiempo tan pequeñas, aunque también necesita hacer referencia a la base de datos atómica, actualmente es demasiado costoso desde el punto de vista computacional. Summit, la supercomputadora de próxima generación del OLCF, que se entregará en 2018, abordará algunos de estos"Cumbre sería un sistema casi ideal para esta tarea", dijo Bussmann. "Podríamos aprovechar la potencia de la CPU para pasar por la base de datos rápidamente y llevar la información que necesitamos a las GPU utilizando las interconexiones muy rápidas. En este momento, básicamente confiamos en las GPU, pero la computación heterogénea tiene sentido: permitir que cada parte del sistema haga la parte que sea mejor y que resuelvan las cosas juntos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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