Bases computacionales de la Radioterapia

(Computarized System Basics)

Por Armando Alaminos Bouza

Continuing Education Program.

World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering.

Toronto, Junio de 2015

Abstract: In the realm of medicine, Radiotherapy was a pioneer specialty in the use of computer technology, in particular for therapy planning. The first International Conference on the Use of Computers in Radiation Therapy (ICCR) took place in 1966 (Cambridge, UK). Since 1966, seventeen editions of ICCR took place, and the next, in London 2016, will celebrate the 50th anniversary of ICCR. Today, several radiotherapy modalities are as entangled on computer infrastructure as with radiation treatment machines. This presentation will focus on a subset of the computerized framework on which modern radiotherapy depends, including hardware and software elements. Major breakthroughs in the computer industry with influence in radiotherapy will be mentioned, such as massive parallelization and portability. Two standards for handling, storing and transmitting digital medical information will be introduced: DICOM and HL7.

La Radioterapia (RT) fue una disciplina médica pioneira en el empleo de la computación. Los primeiros esfuerzos para informatizar aspectos de la RT datan de 1954 com los trabajos de K.C. Tsien.

Simulación de un haz de fótones de 6 MeV con una computadora analógica

Durante un tiempo coexistieron en RT las computadoras analógicas y las primeras digitales.

Yoichiro Umegaki. Jap.J.Clin.Oncol. 1970

Estando precisamente en Toronto, es imposible dejar de mencionar al Profesor John R. (Jack) Cunningham, considerado uno de los más creativos físicos en el desarrollo de algoritmos para cálculo de dosis clínica, necesarios en los sistemas computarizados de planificación (TPS == Therapy Planning System).

La idea del “Scatter-air ratio” (SAR) introducida por Cunningham fue un adelanto significativo para los algoritmos de cálculo de dosis en fotones. En muchos de los algoritmos empleados hasta hoy veo la huella de esa idea básica contenida en el SAR. La primera publicación sobre SAR data de 1972, pero según el Prof. Cunninham ya trabajaba en ella desde 1965.

Prof. J. R. Cunningham

La mayoría de los avances de la Radioterapia en las décadas recientes se derivan de adelantos en software, hardware e imagen de diagnóstico.

Como ilustración de cuanto dependemos de las bases informáticas en la RT moderna menciono el siguiente caso.

Los conceptos básicos del IMRT fueron descritos desde 1978 (*) pero el hardware y software necesarios sólo estuvieron disponibles a partir del final de los años 90.

(*) - Levene MB, Kijewski PK, Chin LM, Bjarngard BE, Hellman S. Computer-controlled radiation therapy. Radiology 1978; 129: 769–75

Hay conceptos de la informática que empleamos en RT y que vamos a abordar brevemente.

- Servidores.- Máquinas virtuales.- Protocolos DICOM y HL7.- TPS (Treatment Planning System).- Paralelismo.- Dispositivos Móviles.

Servidor : ¿ Hardware o Software ?

Servidor – Es un software capaz de aceptar peticiones de un cliente y devolver respuestas adecuadas. La existencia del “servidor” está necesariamente asociada a la existencia del “cliente”. Por eso se habla frecuentemente de arquitectura “cliente-servidor”.

Naturalmente, el “cliente” también es un software. El cliente y su servidor establecen su intercambio de peticiones y respuestas mediante algún protocolo de comunicación definido entre ellos.

Un servidor puede ejecutarse en cualquier tipo de computador (hardware), pero algunos computadores que son dedicados a hospedar software de servidores se les denomina también de servidores.

Existen “Sistemas Operativos” optimizados para ejecutar servidores. Los más empleados mundialmente son basados en el núcleo del LINUX y otros UNIX o UNIX-Like. Además están los de la familia Windows, llamados de “Windows Server”.

Servidores frecuentes en Radioterapia.

- Dosis: Contienen el motor de cálculo de dosis y los clientes le muestran al usuario la dosis resultante. Los clientes están en estaciones de trabajo. Esta arquitectura la emplean algunos TPSs, pero no todos son así.

- Archivos: Almacenan, localizan y entregan archivos de los pacientes, planes, convenios médicos, etc. Los clientes están distribuidos en una red.

- Impresión: Servidor que comparte en la red las funciones de una impresora. En RT generalmente comparten una impresora con caracteríticas especiales, por ejemplo soportar formato A3.

- DICOM: almacenan y entregan información médica en formato DICOM.- Record and Verify. Generalmente los R&V contienen al menos un servidor que

gerencia todos los datos necesarios al sistema y su red de clientes.

Observación: Por razones de seguridad muchos de los servidores críticos en RT se aconseja que estén en islas de intranet, para evitar riesgos provenientes de la WEB.

¡ Cuatro Sistemas Operativos corriendo en paralelo !

HOST: Win7 de 64 bits.

En VM :

• Win98 / DOS

• Win XP

• Ubuntu 12.04

Empleando VMware Player

Máquinas Virtuales (VM – virtual machines).

Una VM es un software que ejecuta programas como si fuera una máquina real. Hay dos tipos de máquinas virtuales.

• “System Virtual Machine” crea un substituto completo para una máquina real. También se denomina “Full Virtualization”.

• “Process Virtual Machine” es creada para ejecutar un programa. Generalmente son implementadas para extender la portabilidad de un lenguaje de programación. Ejemplos: p-code (1970, UCSD Pascal), Java Virtual Machine, el .NET, Phyton.

Las “Full-VM” nos permiten ejecutar múltiples sistemas en un único computador físico, en forma simultánea.

¿ Como nos ayudan las VM en Radioterapia ?.

• Permiten ejecutar sistemas legados.• Permiten ahorrar hardware, energía, espacio físico. Podemos tener sistemas

que necesiten Windows, Linux, MacOS, Solarix, etc., todos ejecutando en un PC o estación de trabajo.

• Ayuda en la recuperación de desastres (podemos tener varias copias de la misma VM)

Desventajas

• La máquina virtual suele ejecutar los aplicativos en forma más lenta que la máquina real.

• Dependiendo de la VM, pueden no implementarse accesos a todos los periféricos del hardware real.

Hasta finales de los años 80 y principios de los 90 los formatos de imagen usados por los tomógrafos y resonancias magnéticas constituían uma “Babel” digital. Cada equipo tenía su proprio formato.

El DICOM fue la respuesta al problema de la falta de “conectividad” entre los equipos formadores de imágenes médicas.

Pero el standard DICOM posteriormente fue extendido a modalidades que no son estrictamente imagen, como es el caso de la Radioterapia.

El standard DICOM.

Digital Imaging and Communication in Medicine == DICOM

• Tiene por objetivo crear un standard para almacenar, manipular, imprimir y transmitir información relativa a imágenes médicas.

• Incluye una definición de formato de archivo y un protocolo de comunicación sobre redes.

• “National Electrical Manufacturers Association” (NEMA) es el propietario de los derechos del standard. NEMA standard PS3 e ISSO 12052:2006.

• Es desarrollado por el DICOM Standard Committee.

El standard DICOM es gigantesco. En los pocos minutos de esta charla solo podemos presentar uma panorámica muy superficial. Al final de la presentación adicionamos bibliografia para los que necesiten profundizar en los temas tratados.

El DICOM no fue creado para su lectura directa por los ojos humanos.

La sintaxis del DICOM está orientada al uso eficiente y portable en computadoras.

Estructura interna de un archivo DICOM (PS 3.5 – 2011)

Estructura del dato elemental básico DICOM:

TAG : Número del Grupo (16 bits) seguido de Número del Elemento (16 bits).

VR : “Value Representation”. Compuesto por dos caracteres, generalmente dos caracteres de 8 bits cada uno. El VR tiene que coincidir con el tipo de dato

definido por el Diccionario DICOM del PS 3.6. El VR puede o no estar presente, es opcional en la sintaxis. Si la sintaxis es “Explicit VR”, el VR tiene que estar presente en cada elemento.Si la sintaxis es “Implicit VR”, el VR se omite de cada elemento.

Length: Es un número binario, entero sin signo, que informa la extensión del dato (value field) que sigue. Puede ser:

- 16 o 32 bits dependiendo del VR y si es implícito o explícito.- 32 bit com el valor reservado “undefined” FFFFFFFFH . Para secuencias de elementos(SQ) o para VR de tipo UN.

La sintaxis de transferencia (transfer sintax) por omisión es la “Implicit VR Little Endian Transfer Sintax”, ilustrada en la tabla que sigue, tomada del standard NEMA.

NOTA: “Endianness” , se refiere al orden en que se almacenan los bytes en memoria: “Big-endian” (Motorola, DEC Alpha, ARM, etc.) y “Little-endian” (Intel convention, X86 , X86-64)

Para atender las necesidades propias de la RT se crearon varias modalidades con sus correspondientes identificadores únicos (UID) :

UID Value UID Name UID Type Part of Std

DICOM RT Plan

Estructura parcial de un plan en DICOM mostrado por el DicomPyler (OpenSource)

DICOM implementa un protocolo de intercambio de mensajes y datos, montado sobre la camada de red y el protocolo TCP/IP

Servicios que se establecen entre un proveedor y un usuario DICOM

Elementos básicos que debemos conocer para configurar una negociación entre proveedor y usuario de servicios DICOM

1. AE Title - identificación de una entidad DICOM, sea un proveedor o un usuario.

2. Puerto de comunicación (Port number). Normalmente puerto 104, pero puede variar, debe verificar la documentación de su sistema.

3. IP de ambos sistemas (IP en la red)

Otras informaciones pueden ser necesarias dependiendo del diseño de los sistemas.

Posibles críticas al standard DICOM.

• El standard permite la creación de grupos y elementos privados (cuya definición no está publicamente documentada). Esto ha generado la proliferación de datos privados por parte de algunos fabricantes.

• Algunos datos privados llegan a interpretarse como obligatorios, dificultando la conectividade entre sistemas (este es un caso de mal diseño o diseño orientado a dificultar la conectividad explotando la flexibilidad del standard).

• Existe la posibilidad de dejar muchos campos standard sin llenar, ignorados o que contienen datos incorrectos.

• No existe en el DICOM una protección de integridad basada en algo similar al CRC. Esto puede ser particularmente preocupante en RT. Existe un “Transport Layer Security” que puede mitigar este problema.

HL7 Standards == conjunto de standards definidos por “Health Level Seven International”

Define standards internacionales para el intercambio de información clínica y administrativa entre aplicaciones de software usadas por diversos proveedores de atención en salud.

Los mensajes codificados en HL7 tienen un aspecto más legible para los ojos humanos.

La version 2 del HL7 no tenía sintaxis de XML, fue creada em 1989.

Los mensajes de HL7 versión 3 están basados en la sintaxis del XML.

Toda la documentación sobre HL7 se puede encontrar en : http://www.hl7.org/

Sistemas de planificación de radioterapia (Therapy Planning System == TPS or RTPS )

¡ Profundamente dependiente de técnicas computacionales !

El TPS debe calcular la distribución de dosis para una configuración dada de haces aplicados a la anatomia (entre otras funciones).En principio, resolver la Ecuación del Transporte de Boltzmann seria la solución al problema de la distribución de dosis.

Resolver la ecuación del transporte directamente era un problema imposible de enfrentar hasta hace poco tiempo

(Ecuación 2 es la Boltzmann Fokker-Planck, que trata del transporte de electrones)

¿ Como solucionar la formulación de Boltzmann del transporte ?

- Método estocástico: Monte Carlo (MC). Muy lento para fines clínicos o demanda un poder de cálculo con costo muy alto para radioterapia. Esto ha comenzado a cambiar en los últimos años. Pero aún así, es lento.

- Método determinista : No se conocia un método de solución con resultados suficientemente realistas.

¿ Como resolver el problema ? Nacen diversos métodos aproximados.

Su precisión ha mejorado en la medida que aumentó el poder de cómputo del hardware accesible. Si observamos la historia de este proceso en los últimos 50 años vemos una evolución de métodos basados en “datos/correciones” a métodos basados en “modelos físicos”.

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(1965)

Paralelismo y Paralelismo masivo. Su importancia para la Radioterapia.

En años recientes la batalla por aumentar la frecuencia de las CPU comenzó a enfrentar barreras físicas además de tecnológicas.

Por ejemplo, un procesador operando a 3.0 GHz debe presentar perímetros circuitales menores que 1cm, caso contrario el tiempo de propagación electromagnético puede colocar partes del circuito en ciclos diferentes !!

Por estas razones los fabricantes buscaron otro camino: Paralelismo.Aumentar el número de procesadores trabajando simultáneamente.

Explotar el paralelismo obliga a cambiar el paradigma de la programación. Por esto su implantación en el software se atrasó en relación al hardware.

Paralelismo. En la programación lo implementamos como multiples “hilos” de ejecución (multiple threads).

Los threads pueden ser por software (simulados por OS, en forma de “time-sliced”) o de hardware.

Multiples threads de hardware demandan múltiples CPUs o CPUs con vários núcleos. Los threads de hardware ejecutan en forma realmente concurrente.

La tecnologia HT (Hyper-Threading) puede adicionar procesadores lógicos a un único procesador físico.

Algunas motherboards soportan varias CPUs. Se necesitan CPUs especiales para esto, como los Xeon de la serie E5 2600 v3.

El paralelismo masivo (cientos o más threads) se alcanza con “clusters” o más recientemente con coprocesadores basados en GPU (nVidia-CUDA) o el Xeon-Phi. Algoritmos como el MC y Collapsed Cones Convolution/Superpostition son altamente paralelizables y pueden conseguir convergencia muy rápida sobre estas plataformas.Los “clusters” consumen más energía, espacio físico e infraestructura de redes.Problema: Necesario alterar las fuentes ! CUDA, OpenMP, MPI, etc.

Dispositivos y plataformas móviles. Aún son un recurso muy nuevo y sus posibilidades en RT están en expansión.

Ya tenemos visualizadores para radiología (ver figura), para planes de radioterapia (muestran los parámetros de cada campo de tratamiento y datos del paciente), calculadoras de unidades monitoras, calculadoras de efecto biológico y dosis equivalente (BED, TDF, etc.)

Las dos plataformas más promisoras en este momento son Android e iOS.

Conclusiones. - La Radioterapia moderna es altamente dependiente de tecnología de la

información. El físico médico necesita conocer los elementos básicos de estas tecnologías.

- El standard DICOM está muy presente en la RT. Desde la imagenología hasta la comunicación de los planes de RT entre elementos del departamento de RT.

- El DICOM es muy extenso pero debemos conocer sus bases, al menos en los aspectos de los que dependemos directamente.

- El HL7 es un conjunto de standards orientado a la comunicación de información médica entre sistemas heterogéneos.

- La mejora de los TPS (y otros recursos de la RT) depende directamente del aumento del poder de cálculo y almacenamiento de nuestros sistemas. Algoritmos más próximos a la realidad física dependen de lo anterior para ser clínicamente viables.

- Dispositivos móviles deben aumentar su presencia en el armamentarium de la RT en los próximo años, posiblemente reduciendo nuestro consumo de papel.

Bibliografía recomendada:

1. Umegaki Yoichiro., “Development of Computer Systems for Radioterapy of Cancer”. Jpn. J. Clin. Oncol. 1970; 1(1)65-80.

2. Cunningham J.R., “Scatter-air ratios”. Phys.Med.Biol. Jan. 17(1); 42-51. 1972.3. Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). Published by NEMA. PS3.1 a PS3.20. Disponible

online.4. Piannykh O.S. “Digital Imaging and Communication in Medicine. A Practical Introduction and Survival Guide”.

Springer-Verlag. 2008.5. DicomPyler. Extensible radiation therapy research platform and viewer for DICOM and DICOM RT. Open Source

Project in Python. https://code.google.com/p/dicompyler/6. Starkschall G., Siochi R.A., “Informatics in Radiation Oncology”, CRC Press 2014.7. Health Level Seven International. http://www.hl7.org/index.cfm