Ústav počítačových systémů

Large-Scale Ultrasound Propagation Simulations in the Human Brain

Název v češtině:Simulace šíření ultrazvukových vln v lidském mozku
Hlavní řešitel:Jaroš Jiří
Spoluřešitelé:Dvořák Václav
Agentura:Jihomoravské centrum pro mezinárodní mobilitu
Kód:SoMoPro-II-2013-IG
Zahájení:2014-01-01
Ukončení:2016-12-31
Klíčová slova:Výzkum mozku, onkologie, akustika, výpočetní fyzika, nástroje pro modelování, informační technologie
Anotace:
Realistické simulace šíření ultrazvukových vln v živých tkáních nabízí široký rozsah využití. Velmi slibnou oblastí využití ultrazvuku je fokusovaný ultrazvuk o vysoké intenzitě, jenž nachází uplatnění ve funkční neurochirurgii jako alternativní, neinvazivní léčebná metoda mozkových nádorů, nitrolebečního krvácení, poruchy motorických funkcí a Parkinsonovy nemoci. Tato metoda pracuje na principu vysílání soustředěných paprsků ultrazvukových vln do tkáně. Akustická energie dosahuje v místě ohniska takové úrovně, že způsobuje buněčnou nekrózu, zatímco tkáň mimo ohnisko ponechává bez poškození. Při aplikacích ve funkční neurologii je proto kritické zajistit přesné umístění ohniska v mozku. Tento požadavek je velmi obtížné zajistit vzhledem ke zkreslení ultrazvukové vlny způsobené průchodem lebkou. Zde mohou pomoci počítačové simulace, které poskytnou přesné operační plány pro konkrétního pacienta. Současné simulační nástroje však nejsou schopny pojmout extrémní rozsah a fyzikální podstatu realistický simulací prováděných uvnitř lidského mozku. Cílem tohoto projektu je navrhnout, ověřit a aplikovat nové výpočetní modely pro simulaci šíření ultrazvukových vln skrze lebku a uvnitř lidského mozku. Tyto modely budou těžit ze současných pokroků na poli teoretické akustiky a numerických metod a budou realizovány s využitím moderních superpočítačových systémů. Navržené modely budou první svého druhu, které umožní přesnou predikci umístění ohniska akustických vln mozku. Výsledky tohoto projektu umožní lékařům pečlivě plánovat a optimalizovat parametry léčby, zvýšit efektivitu fokusované ultrazvukové terapie, snížit dobu nutnou k ošetření pacientů a rozšířit množinu nádorů vhodných pro tento typ léčby.

Produkty

2016CUDA implementace projektu k-Wave verze 1.1, software, 2016
Autoři: Jaroš Jiří, Treeby Bradley E.
2014C++ implementace projektu k-Wave verze 1.1, software, 2014
Autoři: Jaroš Jiří, Treeby Bradley E., Cox Ben T.

Publikace

2017GEORGIOU Panyiotis, JAROŠ Jiří, PAYNE Heather, ALLEN Clare, GIBSON Eli, BARRATT Dean a TREEBY Bradley E. Beam Distortion Due to Gold Fiducial Markers During Salvage High-Intensity Focused Ultrasound in the Prostate. Journal of Medical Physics. 111 River St., Hoboken, NJ 07030-5774: American Association of Physicists in Medicine, 2017, roč. 44, č. 2, s. 679-693. ISSN 0094-2405.
 ROBERTSON James L., COX Ben T., JAROŠ Jiří a TREEBY Bradley E. Accurate simulation of transcranial ultrasound propagation for ultrasonic neuromodulation and stimulation. The Journal of the Acoustical Society of America. 2017, roč. 141, č. 3, s. 1726-1738. ISSN 1520-8524.
 SUOMI Visa, JAROŠ Jiří, TREEBY Bradley E. a CLEVELAND Robin. Full modelling of high-intensity focused ultrasound and thermal heating in the kidney of realistic patient models. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2017, roč. 2017, č. 66, s. 1-12. ISSN 0018-9294.
2016BROWN Michael D., JAROŠ Jiří, COX Ben T. a TREEBY Bradley E. Control of Broadband Optically Generated Ultrasound Pulses Using Binary Amplitude Holograms. The Journal of the Acoustical Society of America. 2016, roč. 139, č. 4, s. 1637-1647. ISSN 1520-8524.
 JAROŠ Jiří, RENDELL Alistair P. a TREEBY Bradley E. Full-wave nonlinear ultrasound simulation on distributed clusters with applications in high-intensity focused ultrasound. The International Journal of High Performance Computing Applications. 2455 Teller Road Thousand Oaks, CA 91320: SAGE Publications, 2016, roč. 2016, č. 2, s. 137-155. ISSN 1741-2846.
 JAROŠ Jiří, VAVERKA Filip a TREEBY Bradley E. Spectral Domain Decomposition Using Local Fourier Basis: Application to Ultrasound Simulation on a Cluster of GPUs. International Journal of Supercomputing Frontiers and Innovations. South Ural State University (Chelyabinsk, Russia): Association for Computing Machinery, 2016, roč. 3, č. 3, s. 39-54. ISSN 2313-8734.
 MERTA Michal, ZAPLETAL Jan a JAROŠ Jiří. Many Core Acceleration of the Boundary Element Method. In: Proceedings of High Performance Computing in Science and Engineering. Basel: Springer International Publishing, 2016, s. 116-125. ISBN 978-3-319-40360-1.
 SUOMI Visa, JAROŠ Jiří, TREEBY Bradley E. a CLEVELAND Robin. Nonlinear 3-D simulation of high-intensity focused ultrasound therapy in the kidney. In: 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). Orlando: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2016, s. 5648-5651. ISBN 978-1-4577-0220-4.
 TREEBY Bradley E., JAROŠ Jiří a COX Ben T. Advanced photoacoustic image reconstruction using the k-Wave toolbox. In: SPIE Proceedings Vol. 9708: Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2016. San Francisco: SPIE - the international society for optics and photonics, 2016, s. 1-14. ISBN 978-1-62841-942-9.
2015JAROŠ Jiří, DOHNAL Matěj a TREEBY Bradley E. Large-scale Ultrasound Simulations with Local Fourier Basis Decomposition. The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage Analysis, SC15. Austin, 2015.
 JAROŠ Jiří, NIKL Vojtěch a TREEBY Bradley E. Large-scale Ultrasound Simulations Using the Hybrid OpenMP/MPI Decomposition. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Exascale Applications and Software. Edinburgh: Association for Computing Machinery, 2015, s. 115-119. ISBN 978-0-9926615-1-9.
2014NIKL Vojtěch a JAROŠ Jiří. Parallelisation of the 3D Fast Fourier Transform Using the Hybrid OpenMP/MPI Decomposition. In: Mathematical and Engineering Methods in Computer Science. Heidelberg: Springer International Publishing, 2014, s. 100-112. ISBN 978-3-319-14895-3.
 TREEBY Bradley E., JAROŠ Jiří, ROHRBACH Daniel a COX Ben T. Modelling elastic wave propagation using the k-Wave MATLAB toolbox. In: 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). Chicago, IL: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2014, s. 146-149. ISBN 978-1-4799-7049-0.

Vaše IPv4 adresa: 54.82.79.109
Přepnout na IPv6 spojení

DNSSEC [dnssec]