1http://www.iict.bas.bg/ac

omin03/19/13

INSTITUTE OF INFORMATION AND COMMUNICATION

TECHNOLOGIESBULGARIAN ACADEMY OF

SCIENCE

AComIn: Advanced Computing for Innovation

Компютърно моделиране и Компютърно моделиране и симулация на процеси симулация на процеси

протичащи при нискочестотна протичащи при нискочестотна чернодробна туморна аблациячернодробна туморна аблация

Красимир Георгиев, Светозар Маргенов,Красимир Георгиев, Светозар Маргенов,Никола Костурски, Явор ВутовНикола Костурски, Явор Вутов

{georgiev,margenov,kosturski,vutov}@parallel.bas.bg

03/19/13 2http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Въведение

Радиочестотната термоаблация е добре позната хирургична техника.Целта е безкръвно рязане и коагулация (вследствие изпаряването на клетъчната течност при загряване поради протичането на високочестотен електрически ток) на тъканта.Използват се честоти на тока от порядъка на (350÷500)KHz, при които няма нервна стимулация и съответно йонна поляризация в живия организъм довеждаща до клинична смърт.

03/19/13 3http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Въведение

03/19/13 4http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Въведение

03/19/13 5http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Въведение

Радиочестотната термо аблация се прилага и при унищожаването на тумори и метастази в различни меки органи (тькани) и в частност в черния дроб.В съществуващите електрохирургични инструменти (апарати) от този тип се използва монополярна сонда като активен електрод. Вторият електрод, под формата на подложка сьс сравнително голяма площ (за да не продуцира топлина), се залепва върху кожата на пациента.

03/19/13 6http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Видове апликаториЕдин сравнително успешен вариант на суха сонда представлява игла, върха на която се позиционира в центъра на тумора, след което от върха й се отварят електроди с форма на чадър. Целта е да се увеличи покриваната от електродите област. Този подход е сравнително добре изучен, както практически, така и чрез методите на компютърното моделиране.Основните проблеми, които ограничават неговото приложение са вследствие на прегряване на тъканта в контактната зона около върховете на електродите.

03/19/13 7http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Видове апликатори

Един алтернативен подход за преодоляване на този проблем е свързан с използване на сонда, която се охлажда вътрешно чрез циркулация на течност. Така процесът на аблация може да продължи по-дълго време – до “изгарянето” на тумора. Основно ограничение в този подход е относително малкият размер на тумори, които могат да бъдат третирани.

03/19/13 8http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Математически модел

Моделирането на този вид процес се извършва чрез интегриран математически модел, който в допълнение към електрическите и термодинамични процеси, се включват и процесите на конвекция и дифузия в пореста среда. Това дадва възможност за ефективно моделиране на преноса на топлина, с отчитане както на влиянието на течението на физиологичен разтвор (когато такъв има), така и на циркулацията на кръвта.

03/19/13 9http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Математически модел

Базира се на метода на крайните елементи.Симулация на процесите на масо и топлообмен в съчетание с електрически процеси в силно хетерогенна нелинейна среда включваща апликатора.Степените на свобода (размера) на дискретната задача са от порядъка на O(109)Броя на стъпките по времето е от порядъка на O(104).

03/19/13 10http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Математически модел

Задачата е съществено тримерна и нелинейна.

Разработването на този модел, както и неговата реализация върху най-съвременни високопроизводителни (суперкомпютърни) изчислителни платформи е новост на световно ниво.

03/19/13 11http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Компютърен моделНеобходимостта от точно компютърно моделира-не е предизвикана от потребността за уточняване и оптимизация на параметрите на процеса (характеристики на тока, продължителност, налягане на подавания физиологичен разтвор) на радиочестотна аблация при гарантиране на висока надеждност на резултата.Изследванията включват комплексни практичес-ки и компютърни експерименти с цел калибрира-не на резултатите от измерванията и уточняване на параметрите на компютърния модел

03/19/13 12http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Комютърна томография

03/19/13 13http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Дискретизация

03/19/13 14http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Компютърна платформа

- IBM Blue Gene/P – two racks, 2048 PowerPC 450 processors (32 bits, 850 MHz), a total of 8192 cores;

- Double-precision, dual pipe floating-point acceleration on each core;

- Total of 4 TB random access memory- 16 I/O nodes currently connected via

fibre optics to 10 Gb/s Ethernet switch;

- 16 more I/O nodes ready to be connected in the near future;

03/19/13 15http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Компютърна платформа

- Maximal LINPACK performance achieved: Rmax = 23.42 Tflops;

- Theoretical peak performance: Rpeak = 27.85 Tflops;

- 127th rank in the 32nd edition of the world’s TOP500 supercomputers list, released on November 17, 2008

03/19/13 16http://www.iict.bas.bgAComIn: Advanced Computing for

Innovation

Компютърен модел• Размерност на задачата: 17 467

392• Брой процесори: 1024

(2048, 4096)• Ускорение• Производителност• Скалируемост• Адаптивни алгоритми

Компютърно моделиране и симулация на процеси протичащи при нискочестотна чернодробна туморна аблацияВъведениеSlide 3Slide 4Slide 5Видове апликаториSlide 7Математически моделSlide 9Slide 10Компютърен моделКомютърна томографияДискретизацияКомпютърна платформаSlide 15Slide 16