Metodi Monte Carlo su sistemi distribuiti
per il calcolo della dose in trattamenti
radioterapici
Istituto Superiore di Sanità
Roma, 13 Dicembre 2005
Stéphane Chauvie*, Giueppe Scielzo^
^Ordine Mauriziano, Torino
*INFN e Ospedale S Croce e Carle, Cuneo
Le spine del Monte Carlo
 10 anni di Monte Carlo in Italia
 Esistono molti ex-Monte Carlisti
 Esistono pochi Monte Carlisti, e sono tutti qui
 Problemi in MC-making:
 scientifici
 non scientifici
amministratore:
-di rete
IN
OUT
PC, intranet, PACS,
R&V,
Gruppi di continuità
- di sistema
infrastrutture
isolamento
ambiente
Non scientifici
tempo
radioterapia
personale
Preparato:
-HW
-SW
- medphys
dedicato
scalabile
PC,
farm,
cluster,
GRID
Top Secret
Calibrata a mano
Sorgente di
radiazione
Modelizzazione
acceleratore e
fascio di elettroni
primario
Geometria
MC
Quale?
Cuts et al.
Scientifici
Fisica
Rayleigh, Fotoelettrico,
Compton, produzione Coppie,
bremmstrahlung,
ionizzazione, eccitazione..
Calcolo della dose
•Analitici (Pencil beam,
Convolution/Superposition)
• Monte Carlo
Costosi
Molto lenti ma accurati
Veloci ma poco accurati
Economici (anche gratis)
Incertezza nella determinazione
della dose
Totale
Totale con calcolo
misura Dref,
omogeneità e
stabilità, dati CT,
set-up
4,1%
della dose
4,2%(1%) a 6,5% (5%)
Ahnesjo 1999
Potere di calcolo
Parallelizzare!!!
Parallelizzazione su un cluster
Beowulf
+
PC & Ethernet
Una rete di PC è
un’alternativa realistica ai
supercomputer offrendo
capacità di calcolo
analoghe ad un prezzo 310 volte inferiore
=
Beowulf
Parallelizzazione del codice Monte Carlo
Installazione Hardware
Simulazione
Monte Carlo
Configurazione Software
Benchmarking
Parallelizzazione del Monte Carlo
Run e Analisi
Installazione, configurazione e benchmarking
alla LAN ospedaliera
Bios
OS
Configurazione
dischi
Partizioni
RAID
Memoria
CPU
Compilatori
Linking
Master
S
W
I
T
C
H
Parallelizzazione:
LAM-MPI
Node02
Node03
Node04
Node05
Sup =
Tser/Tpar
= 3.99
Node06
Node07
Node08
Sicurezza:
SSH
E = Sup/ N
= 0,997
Modellizzazione dell’acceleratore
V = 6 MV
e-
Varian 600C/D
Millenium
120-leaf MLC
Modellizzazione del paziente
- relazione CT-tessuto
ICRU
Osso:
- linearità CT-el
- diluizione osso-midollo
Polmone:
linearità CT-
Interfaccia DICOM
Tessuti
molli:
Parallelizzazione del Monte Carlo
Attenzione ai PRNG
Spazio delle Fasi
Campi IMRT prova in
fantoccio omogeneo
Misure in Acqua
Misure in fantoccio antropomorfo
Campi IMRT paziente in
fantoccio omogeneo
Simulazione in paziente
Simulazione di trattamento IMRT
Spazio delle Fasi
PSD
(x,y,z)
(px,py,pz)
E
pz
px,py
Spazio delle Fasi
Sotto i jaws
50,4 cm dalla sorgente
Misure in acqua
10X10
PDD %
PDD in acqua
20X20
Scanner con camera a ionizzazione IC15
SSD=SAD
Misure in fantoccio antropomorfo
Misura
100,02,4
178,43,0
120,12,7
98,83,4
Monte
Diff
Carlo
%
100,02,2 0,0
175,42,3 -1,7
118,02,2 -1,7
97,02,3 -1,8
Broad
beam
103,1
166,0
122,3
100,0
Microcamera A14SL
Diff
%
3,1
-6,9
1,8
1,2
Pencil
beam
102,9
173,2
124,7
107,0
Diff Super/ Diff
%
conv %
2,9 101,9 1,9
-2,9 176,3 -1,2
3,8 121,8 1,4
8,3
98,3 -0,5
SSD=SAD
Simulazione
in paziente
X=10 Y=10
SSD=SAD
Gantry 0°
TAC
Campi IMRT in fantoccio omogeneo
• Pellicole
- Simulazione
Skip&shoot
12 segmenti
Pellicole X-OMAT V
SSD=90 cm
Simulazione trattamento IMRT
10X10
Tecnica Isocentrica
7 campi!
Ogni campo
N segmenti
165,415,3
N eventi
(15,50,5)107
N hits
(4,02  0,39) 105
Tempo (ore)
0,510,03
CONCLUSIONI
E=0.9925
MC: studiare il
comportamento in
prossimità di interfacce
e zone ad alto
gradiente di densità e
verificare algoritmi
tradizionali
Cluster: scalabile,
economico e facile da
usare
Valutazione piano
IMRT in 3,5 ore con
280000 hits con 3 nodi