monte-carlo simulation for nuclear medecine in a grid...

20
Preparing Sandwiches National Food Service Management Institute The University of Mississippi Culinary Techniques for Healthy School Meals 2nd Edition • ET80-09 2009

Upload: voduong

Post on 11-Mar-2018

222 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

MonteMonte--Carlo simulation for Carlo simulation for nuclearnuclear medecinemedecine in a in a gridgrid

environmentenvironment

�������������� �����������

������������������

������

Page 2: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

développer une interface software entre la développer une interface software entre la physique corpusculaire et les sciences de la physique corpusculaire et les sciences de la

vievie

Déploiement d’une grille de calculs

pour la bio-informatique

Simulations Monte-Carlo avec GEANT4 en imagerie

médicale et en curie-/radiothérapie

gestion des flux de données générés par les expériences de génomique

on retrouve les mêmes problèmes en physique des particules, en imagerie médicale

optimiser les performances des détecteurs et des traitements

améliorer la qualité des imagesétudier la faisabilité de nouvelles

solutions technologiques ou médicales

Page 3: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

L’équipe PCSVL’équipe PCSVune recherche une recherche

pluridisciplinairepluridisciplinaire

INSERM U494 (Paris)INSERM U494 (Paris)simulation SPECT

IASA AthènesIASA Athènesvalidation de GATE sur

une gamma-caméra petit animal

Centre Jean Perrin Centre Jean Perrin Service de médecine nucléaire

Centre Jean PerrinCentre Jean PerrinDépartement de radiothérapie

Dépôt de dose de plaques ophtalmiques

DataGRIDDataGRID

Collaboration Collaboration OpenGATEOpenGATEdéveloppement d’une plate-forme de simulation Monte-Carlo en médecine nucléaire

BBIOIO--INFORMATIQUEINFORMATIQUEY. Legré

CCURIETHERAPIEURIETHERAPIED. Donnarieix

L. MaigneMMEDECINEEDECINE NNUCLEAIREUCLEAIRE

D. Lazaro

Page 4: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

!

GATEGATEa Montea Monte--Carlo simulation platform Carlo simulation platform

for nuclear medicine based on for nuclear medicine based on GEANT4GEANT4

GGeant4 AApplication forTTomographicEEmission

Page 5: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

"

TwoTwo imagingimaging modalitiesmodalitiesmorphological imaging (MRI, scanner, X-rays…)

detailed information about the patient anatomy

Functional imaging (nuclear medicine: SPECT, PET, …)

non-invasive method: a radioactive drug is injected to thepatient and naturally evacuated from the organismspatial distribution of the radiopharmaceutical in thebody ���� study of the functional activity of an organ or a specific tissue (e.g tumor)

PET PET � Positron emitters (18FDG ≈ 2 h)

� Resolution down to 2 mm

SPECT SPECT � Single photon emitters (99mTc ≈ 6 h)

� Resolution down to 7 mm

MultimodalityMultimodality� Combined imaging modalities (e.g PET/CT)

� Resolution improved

Page 6: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

#

WhyWhy simulations in simulations in NuclearNuclearMedicineMedicine??

Scannerdesign

Protocoloptimization

Algorithmtesting

Scattercorrection

Quantificationrecovery

Dataanalysis

ImageReconstruction

Simulation

Page 7: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

$

TwoTwo approachesapproaches……

General purpose simulation codes (GEANT4, EGS4, MCNP…)���� wide range of physics���� wide community of developers and users���� documentation, maintenance and support���� complexity���� speed

Dedicated simulation codes (PETsim, SimSET, Eidolon,…)���� optimized for nuclear medical imaging applications (geometry,

physics...)���� ease of use and fast development���� maintenance, upgrades

Page 8: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

%

GATE: an GATE: an attemptattempt to to mergemergebothboth approachesapproaches

Realistic modelisation of PET/SPECT experiments� modelisation of detectors, sources, patient� movement (detector, patient)� time-dependent processes (radioactive decay, movement

management, biological kinetics)

Ease-of-useFastLong-term availability, support and training

PET/SPECTdedicated tools

GEANT4 corepotentialities

GATEGATE

Page 9: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

&

GATE unique GATE unique potentialitiespotentialities taketake advantageadvantage of of GEANT4 GEANT4 toolkittoolkit andand new new developmentsdevelopments

��������������������������������

�� Geometry� script

(detectors, materials, …)

�� Properties

� spectral resolution…

������� ����� ����������� ����� ������ Radioactive decay

�� Digital images � complex emission and absorption cards

�� ��� ��� Physical dynamics : decay

�� Biological dynamics : drug kinetics� Movements

����� ������� ��

�� Detector continuous movement� rotation: SPECT, PET� specific moves

�� Source movement� patient (heart beat…)� external source

'()��*��)+� ,'()��*��)+� ,

�� ��-.���/�����0�����-.���/�����0���

�� �1�������2��3��-/�1�1�������2��3��-/�1

Page 10: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

��

GeometryGeometry examplesexamples of GATE of GATE applicationsapplications

Multi-ring PET

D. StrulIPHE Lausanne

Triple-head gamma camera

S. StaelensUni Ghent

Page 11: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

��

Validation of GATE Validation of GATE againstagainst experimentexperiment

� Simulation of a small animal imaging gamma camera– CsI(Tl) crystal array coupled to a PSPMT– Small animal imaging (study of new

radiopharmaceuticals)

���������������

�� �

��� �������� ���

��! ��

��"��#�� $������ �$

�������������

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 250

100

200

300

400

500

Pos X 0mm

Entries 18612Mean -0.02972RMS 4.89

Pos X 0mm

Entries 18612Mean -0.02972RMS 4.89

arb

itra

ry c

ou

nts

mm

PSF at 2cm

Experiment

GATE

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

E keV P05Entries 16987Mean 127.4RMS 29.14

E keV P05 E keV P05Entries 16987Mean 127.4RMS 29.14

Energy spectrum at 2cm

arb

itra

ry c

ou

nts

Energy (keV)

Experiment

GATE

Page 12: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

��

Les enjeux du déploiement sur Les enjeux du déploiement sur grillegrille

� (���/��������������������/����

� 4���/���������1���/��/1

� 5���������������1�1���/��1�

� (���/��������������.��-��

� ����

� )������/6���/�1�������������1���������/��-���

/����/��/������-7�������1�12�8������-�-/�1�

-���1�9���/�1�����1����/���9��1

Page 13: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

Les différents niveaux de Les différents niveaux de parallélisationparallélisation

�� �������� ��������������������������������������� �����������������������������������������������������������������������������

�� ������� ������������������������������ ������� ����������������������������������������� ��������������� �������������������� ��������������� ����������� ������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������� ����� ���������������������� � ������������������������������� � �����������������������������

�� ������ �!���������������������������������� �!�������������������������������������"���������# �����������������������"���������# ������������������������������������������������������������������������

�� ����������� �!��������������� $% & ' (���)������������ �!��������������� $% & ' (���)�������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Page 14: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

�!

Les différentes stratégies de Les différentes stratégies de déploiement sur une grilledéploiement sur une grille

� ��1�����:�;��

� *�����/���������1-���������/�1��:��1�<

� )3�����8/�

� *��.��1��6�����1

� *��.��1����1����

� ������/�����3�-����1��//�/�������1��/�1������1�<

� 4���������=�

� 6���������������8���1�-��/��-��//�/�1�����

� >

Page 15: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

�"

Sur quelles grilles mettre en Sur quelles grilles mettre en œuvre le déploiement de GATE ?œuvre le déploiement de GATE ?

���������������� �

�� ������������� ����������� ���

���� ���

�������������

Page 16: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

�#

LLE E PPROJET ROJET DataGRIDDataGRID

�� ����% ������% �� ����!��& �'����! �&(������!��& �'����! �&(�� ������(�)����� �������* !+ ���,!���% �����)�� ���+��!� ���������!������������(���&�! ���� ���� �����������-�.!��"�$��.!������&� ���!���/��0�� +�������������� �/�1�������#

�� ����/���������/�����22�34/��5�/�6� �5/����/������34/��5�/�6� �5/����/�����

�� 7/8�� ���������! ���7/8�� ���������! ���22 �! (��9�� ��������"3::;�! (��9�� ��������"3::;223::<#3::<#

�� �0'����-��& ����&�!=�0'����-��& ����&�!=2 �(+���&&� �!��� �����> � ��0��(��! ��,�!����% ��1� �

2 �(&��$� ���������0��� )�� �����(������

2 +����� ���������&������ ������! ���--( ������(� ���� ���! �

Page 17: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

�$

Groupe de travail biomédical Groupe de travail biomédical (WP10) (WP10)

�� �&(��-������������0�����������,�� ��� ���� (�����������������&(��-������������0�����������,�� ��� ���� (�����������������(��� �.!��&�! �!����+� ����� ������ ��� �������� �0!(�(��� �.!��&�! �!����+� ����� ������ ��� �������� �0!(

�� �����-�� ������&&����������0��� (��������&� �����������������-�� ������&&����������0��� (��������&� �����������������(&��$� ��! ���������(&��$� ��! ��������0������0�� ����������% ������% ��

�� � �+����&�! ������&����� �9� �+����&�! ������&����� �92 �(+���&&�� ����������� �������������!������,����$���&� �����

��-� � ����������������&�$�������

2 �(&����� ���������&&����������&� �����0����������/�����0��2

��-� � ��������/�������-� � ��������/?

Page 18: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

�%

EEXECUTION D’XECUTION D’UNUN JOB SUR LA GRILLEJOB SUR LA GRILLE

��� ������ ���

��������������������������������

��������������

�� ���� !��� �� ���� !���"�#��#��������� ����"�#��#��������� ����

��!� ��������!� ������

���$���$

��������������

��������������

DataJob

SandboxRésultat

JDL

RSLRésultat

����� ��� �%� ����� ��� �%�

Informations

Page 19: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

�&

Status of WP10 applicationsStatus of WP10 applications

������0������1� �&'����������(����'��)*+�'����� �,

� ��� �&!� � ��� �(���� ����� ��)-+-� ���,

� �������������������(�.��� ').+/� �����,

� ������!� ������0�#�� ���(����)�+�����&��,

� �� ��������'(������ ����1 ����+������).+"��2,

� ��������������.��&���(-� �����%�1��/��)�+/3���1�+/� ����4,

� ������ ����� ���������� ����( ���+����� )�+5� � �,

�������/��������� /����������������(����*��)6+�������������,

� /���������������������������(����*��)"+/��������,

� /����� ��&�������'�������7�'��8)�+/�����1*+*0��,

� ��������������!� �!� ��*7����*#����������9(��*������#� �����)�+/�����,

����������������'�

����������������������

��������������� � ��� �����

Page 20: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

��

GLOPGLOP

���������������1����1���

��������������?@1?@1A����A����

��8����8��

��-/��������6�����//��/���/��

���0���1���5�61

� 4�9��1���������

���-������1���.��/���9��1

� ��1�������;��

�6�--/�������11������0�9��1

����/�7���/��)�3����2��,

��/��)��!� ����2��,

�����:)������!� ����2��7����� ���3�����,

���)�&'��2���� �������� �,

�;��/�3�������� )��� ����������� �,

��������

Page 21: Monte-Carlo simulation for nuclear medecine in a grid ...membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/CIMENT/Semin... · nuclear medecine in a grid environment

��

CalendriersCalendriers……

� �������B��������!C� ��1������������/�D��2����;�//�10���������/���1

� � E5�B��� ����#C� ��8������ �F������1�����//��=�/6�'?B 4���C2�/6�(��4B57/�����/�1�����C������� 5�

� )3���1�������/����//�����/��= /6�;�/��������/�����.��/����

� ��/�����������-/������������4?)� ��1��//����������4?)�1����1��:��1�� E5�����������B������� C

� ��/���������6�����--/����������������.��-���B*�8������ C

� ��-/��������1����//��B4;�/�(�-���� C

� � E5

� �������

� ������<