利用高科技解決癌癥難題

5Seven

案例信息：

客戶：萊斯大學

主校區(qū)：休斯頓

業(yè)務：高等教育和高級研究

挑戰(zhàn)：解決與癌癥放射治療和研究相關的問題

解決方案：接受撥款和 IBM 捐贈的 BlueBioU 系統(tǒng)來加速癌癥治療和研究

硬件：一個由 49 個節(jié)點組成的 POWER7 BlueBioU 高性能計算平臺

軟件：Red Hat Enterprise Linux

正如與癌癥對抗的一些患者所證實的那樣，治療往往比疾病感覺還要糟糕。這就是醫(yī)學研究者和其他科學人員努力工作以減輕化療和放射治療等治療的副作用的原因。例如，在放射治療方面，打算采用調(diào)強質(zhì)子治療 (IMPT) 等新療法來減輕對腫瘤周圍健康組織的損害。

但是，傳統(tǒng)的找出最小損害的最佳做法所用的時間比醫(yī)師和患者預想的要長。沒有任何兩個腫瘤是一樣的，必須以不同的方法治療每個腫瘤，具體療法取決于腫瘤的大小和位置等因素。這意味著必須考慮每個患者的具體情況，為正在接受放射治療的每個患者創(chuàng)建具有最佳治療方法的模型。

此外，放射治療可能會引發(fā)潛在的繼發(fā)性癌癥。對具體患者評估此類風險有助于確定應使用哪種特殊形式的治療方法。但是，當前的劑量計算引擎不支持此類風險評估。

考慮到這一點，萊斯大學打算使用他們自己的可在幾種不同系統(tǒng)上運行的算法，以顯著提高提供備用方法和更安全的放射治療方法的速度。其中一種系統(tǒng)是 BlueBioU，這是一種基于 IBM POWER7 技術的高性能計算 (HPC) 環(huán)境。在其上運行的應用程序已使用 IBM XL C/C++ 和 XL Fortran for Linux* 編譯器進行了優(yōu)化。現(xiàn)在，非常感謝這個用 HPC 和應用程序改進過的研究平臺，它們幾分鐘就可以生成結(jié)果，而之前需要花費數(shù)百個小時。該平臺使醫(yī)生能夠更快速地訪問所需的信息，從而減少放射治療的副作用。

降低風險

還有一年時間就到休斯頓萊斯大學的百年校慶了，該大學不僅是高等教育的溫床，還是跨多個學科進行高級研究的溫床。這方面的一個證明是，該大學于 2010 年的校慶成立了 BioScience Research Collaborative (BRC)，將其研究人員、教師以及長期醫(yī)療合作伙伴派遣到了德州醫(yī)學中心，與他們共同進行生物醫(yī)學研究。

BRC 將來自醫(yī)學、生物學和物理學等不同領域的科學家聚集在一起，共同研究各種不同的主題，其中包括蛋白質(zhì)折疊、人類基因圖譜、生物分子行為和人工器官植入建模。正如人們所期望的那樣，BRC 研究人員還深入研究了癌癥治療方法，比如 IMPT。

這為 Pablo Yepes 等科學家提供了施展其才能的舞臺，Pablo Yepes 是萊斯大學物理及天文學系的一名高級教師（研究副教授）。盡管他學習的是粒子物理學（他與 CERN 日內(nèi)瓦實驗室共同進行這方面的研究），但他最近開始涉足醫(yī)學物理學的新興領域。

更具體地說，他和其他物理學家正在研究放射對癌癥患者的影響�！拔覀兪盏搅诵菟诡D M.D. Anderson 癌癥中心提供的一些資金，打算開發(fā)一種快速方法來計算癌癥治療中放射的分布。例如，如果您將對某個患者采用放射治療，首先要了解的就是它對患者的影響，” Yepes 說。

這包括射線進入人體的深度和范圍等內(nèi)容。射線進入人體的地方當然會對人體有損害。如果深入照射到腫瘤后面的健康組織，也會損害這些組織。但是，這些損害是可以減輕的，通過更改治療中使用的放射量，或者更改射線進入人體時的角度。

或者，正如 Yepes 和其他人所發(fā)現(xiàn)的那樣，可采用不同的放射類型。在采用質(zhì)子放射的情況下，用戶可以更好地控制放射量，幫助確保射線不會照射到癌細胞后面的健康組織。這會將健康組織所受的損害限制為只有射入點和射線所經(jīng)過的地方會受到損害。

盡管這一方法具有很高的精確度，但仍有引發(fā)繼發(fā)性癌癥的可能性。要降低風險，醫(yī)師需要一個破壞性小的路線來照射腫瘤。一種解決方法是從多個方向照射腫瘤。

最小化和最大化

控制照射腫瘤的放射量和創(chuàng)造最佳角度的系統(tǒng)要求進行大量分析。

據(jù) Yepes 說，最好的方法是使用 CT 掃描。通過將掃描結(jié)果傳入計算系統(tǒng)中并進行精確的分析算法，臨床醫(yī)師可大大減少對健康組織的損害。

“使用患者的三維圖像并對其應用計算，以便根據(jù)可用的角度確定放射量。這有助于您制定一個計劃，最大程度地減少健康組織損害和提高照射目標的放射量，” Yepes 說。

最精確的方法是 Monte Carlo 計算，這是一種依賴于重復的隨機取樣技術產(chǎn)生更詳細結(jié)果的計算算法，非常適用于模擬流體系統(tǒng)。但是，Monte Carlo 技術要求投入大量時間，典型的治療計算要花費數(shù)百個小時才能完成。在需要快速且高效地確定某個癌癥患者的最佳治療方法時，這種方法肯定不是最好的，更不用說用它確定多個癌癥患者的最佳治療方法了。

因此 Yepes 和其他人創(chuàng)建了一種 Fast Dose Calculation 算法，與 Monte Carlo 算法相比，這種算法更快一些，但精確度幾乎是一樣的，“精確度相差 1% 到 2%，” Yepes 說。他們還開發(fā)了一個數(shù)據(jù)庫，展示質(zhì)子在水中的反應情況，然后根據(jù)患者的三維掃描來確定最佳治療方法。

生命研究

最初，萊斯大學在基于圖形處理單元 (GPU) 的系統(tǒng)（萊斯大學已將它用于患者）上進行了許多此類計算。但是，由于一些邏輯問題（包括 GPU 處理信息以線性方式而不是以多線程方式進行處理），它比研究人員預想的要慢很多。

該系統(tǒng)仍在使用中，但是萊斯大學想要促進 Yepes 及其同事的成果以及萊斯大學其他研究人員的成果。因此應用了這些成果，并從 IBM Systems and Technology Group (STG) University Alliances 和 IBM University Relations（包含一個 BlueBioU 系統(tǒng)）那里獲得了 Shared University Research 授權。

這個由 49 個節(jié)點組成的 POWER7 系統(tǒng)（IBM 捐贈了其中的 19 個節(jié)點，其他節(jié)點由萊斯大學購買獲得）可在 Red Hat Enterprise Linux 上運行，它的功能與該大學之前一直使用的所有基于 x86 的 HPC 系統(tǒng)一樣強大。

當然，這種新基礎架構(gòu)所需的功能比一套 POWER7 BlueBioU 集群要多。IBM Linux Technology Center 還幫助萊斯大學將此項新技術與其現(xiàn)有的部分 IT 體系結(jié)構(gòu)（包括其存儲系統(tǒng)）相結(jié)合。該中心還與 IBM 編譯器開發(fā)團隊一起協(xié)作，優(yōu)化了與應用程序相關的一些性能。他們使用 IBM XL C/C++ 和 XL Fortran for Linux 編譯器完成了這樣優(yōu)化，自動化了此應用程序的大部分過渡。為滿足巨大的存儲需求，BlueBioU 還采用了 General Parallel File System，這是一種高可用性、高性能的文件系統(tǒng)，針對幾千萬字節(jié)存儲管理進行了優(yōu)化。

現(xiàn)在，萊斯大學的研究人員的工作速度比以往更快。例如，Yepes（他還獲得了 IBM STG University Alliances 頒發(fā)的教師獎，這為他的在 BlueBioU 上運行的 Fast Dose Calculation 算法提供了支持）正在根據(jù)上傳的 CT 掃描返回他的研究成果，只需要幾分鐘而不是之前的數(shù)百個小時即可完成此操作。（“我們希望在解決了一些相關問題后，能將時間縮短至幾秒，” Yepes 補充道。）這對 Yepes 另一方面的工作至關重要，該工作包括提供一個醫(yī)生可上傳其圖像的網(wǎng)站。

我們計劃在本月的會議上討論該網(wǎng)站，它支持醫(yī)生上傳 CT 掃描并立即獲得結(jié)果，包括使用多少放射量，以及此劑量引發(fā)繼發(fā)性腫瘤的可能性。這些都可以在患者及其醫(yī)師同在辦公室時完成。此外，由于基本 BlueBioU 系統(tǒng)的速度的大幅提升，因此可分析更多患者。

對每個人都有好處

這也適用于研究癌癥放射治療的其他科學人員。他們可以分析許多匿名患者的結(jié)果，并對它們進行比較，以確定更好的治療方法，包括治療本身的影響和長期的副作用。

“這很重要，因為您永遠無法確定放射治療是否會引發(fā)繼發(fā)性癌癥。但是進一步的研究可能會讓您發(fā)現(xiàn)其中的相關性。因此擁有一個支持您快速進行分析和大量取樣的系統(tǒng)，可以讓您獲得更好、更精確的結(jié)果，” Yepes 說�！皬拈L遠來看，這對每個人都有好處�！�

關于作者

Jim Utsler 是 IBM Systems Magazine 的資深撰稿人，在技術寫作方面有十多年經(jīng)驗。

http://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/systemmaga/8/Edge_Against_Cancer/index.html