Procesory graficzne przyspieszą diagnozę raka

Dyfuzyjna tomografia fluorescencyjna (DFT) jest jedną z zaawansowanych metod optycznego diagnozowania nowotworów. W tej metodzie do organizmu pacjenta wstrzykuje się fluorescencyjne markery (złożone molekuły organiczne), które przylegają do komórek nowotworu. Następnie wszystkie tkanki są krok po kroku naświetlane światłem o długości fali odpowiedniej dla danego fluoroforu, co sprawia, że markery zaczynają emitować światło fluorescencyjne i wskazują lokalizację nowotworów. Metoda jest obecnie w fazie eksperymentów na „standardowych” modelach raka. Zakłada się jednak, że będzie w stanie wykryć zmiany w przeciwciałach, a także fotosensybilatory.

Podstawowym problemem techniki DFT jest znacząca dyspersja światła przechodzącego przez tkanki. Ten efekt sprawia, że kształt rozświetlonego obszaru staje się niewyraźny — szczególnie wtedy, gdy nowotwór znajduje się głęboko w ciele pacjenta.
Eksperci z Instytutu Fizyki Stosowanej Moskiewskiej Akademii Nauk RAS przeprowadzili serię eksperymentów z różnorodnymi konfiguracjami świateł i detektorów, które umożliwiły utworzenie specjalnych algorytmów odtwarzających trójwymiarowy rozkład fosforów w tkance i precyzyjne określenie kształtu oraz położenia nowotworu. Aby rozróżnić różne fluorofory, stosuje się zestaw filtrów przepuszczających określoną falę świetlną dla każdego kolejnego fluoroforu.

Ta technika ma wiele zalet, ale wymaga dużej mocy obliczeniowej: przeprowadzenie typowej symulacji wiąże się z wykonaniem obliczeń około miliarda losowych ścieżek! Jedno obliczenie wykonane na komputerze wykorzystującym zwykłe procesory zajmuje zatem nawet kilka godzin. Dlatego w instytucie wykorzystywane są procesory graficzne firmy NVIDIA, co pozwoliło na ponadstukrotne zwiększenie wydajności pracy. Średni czas operacji został skrócony z dwóch i pół godziny do 1,5 minuty. Skrócenie tego czasu umożliwiło zwiększenie liczby ścieżek i znaczne usprawnienie dokładności badania.

Naukowcy planują zbadać przydatność opisywanego algorytmu w czynnościach planowania radioterapii cząsteczkowej. Radioterapia, jak wiadomo, nie jest pozbawiona efektów ubocznych. Nadal np. nie można dokładnie obliczyć rozprzestrzenienia cząsteczek promieniowania w ludzkiej tkance, więc istnieje pewne ryzyko uszkodzenia zdrowych organów w trakcie terapii. Stworzenie modelu rozprzestrzenienia cząsteczek promieniowania przez całe ciało pacjenta, który brałby pod uwagę strukturę organów wewnętrznych, umożliwiłoby większą precyzję terapii. Ten problem wymaga jednak zastosowania dużej mocy obliczeniowej, jaką mogą zapewnić wyłącznie procesory graficzne.