曙光超级计算机来帮助对抗癌症

今天,世界各地的科学家和医学专家寻求更大的理解癌症,其原因,生物过程驾驶它。然而,由于细胞机制的复杂性,治愈癌症仍然是难以捉摸的。虽然这些专家的令人难以置信的工作导致了许多突破性见解和治疗,还需要更多的科学发现识别攻击毁灭性的疾病的新方法。阿曼达反博士,阿尔弗雷德Winborne末底改和维多利亚干草末底改助理教授在杜克大学生物医学工程系研究人员占用的斗争。作为工作的一部分,她正准备利用exascale计算机的力量来促进癌症研究的时候极光超级计算机是送到美国能源部2021年的阿贡国家实验室。

反博士是著名的为她在科学界创新的工作哈维发展,计算流体动力学模型具有非凡的能力来模拟整个人体的血液流动。因为每个人的血管系统包括超过10000英里的管道——距离超过往返从西雅图到东京的班机,任务是艰巨的。

哈维模拟血细胞和血管。信贷:图片由博士约翰·Gounley ORNL

团队多年磨练让哈维和精炼基础数学建模算法。他们需要确保他们的模拟有效和准确地模拟血流观察在活的有机体内(在现实条件下)在体外(实验室场景)。

最终,他们的努力得到了回报。今天,哈维可以准确预测和模拟路径的数亿血细胞穿过人体血管系统的复杂的迷宫。哈维甚至可以通过最小的毛细血管,可以解决流直径小至3 - 4微米。在狭窄的管道中,血细胞必须旅行排成一列纵队。

深入了解人类的心血管生理学、反博士寻求授权医疗专业人士可以利用模型的见解,使患者更有效的治疗。例如,哈维可以帮助医生确定动脉分流的理想位置放置或可视化动脉内斑块形成如何影响病人的健康循环。

哈维对癌症研究应用

不放在他们的荣誉,杜克大学反博士和她的队友们现在试图用哈维以新的方式。因为哈维可以模拟血液流动,团队是炼油一次要目的:理解肿瘤细胞转移的过程。

转移是癌细胞的过程脱离原发肿瘤,通过血液搭便车,并锚定在另一个身体的一部分,潜在播种新的肿瘤。通过这个阴险的过程,肾癌,例如,可以从其原发肿瘤和转移到肺部或大脑,使其更具挑战性的治疗。

在癌症研究中反博士的工作导致一个意想不到的遭遇。“在一次会议上,我被另一个研究者想知道如果我们能应用哈维协助预测转移性癌细胞的道路,“反博士回忆道。“我们发现一个重要的和有趣的挑战和令人难以置信的潜力。从一开始,我们希望哈维作为一个工具来帮助医生在心血管领域。通过了解背后的生物机制转移癌细胞,我们希望我们的工作与哈维最终会帮助医生和病人抗击癌症。”

理解癌细胞的运动在血液中提供了一个更重大的挑战比原来团队的工作模拟血液流动。反博士和她的团队的增广模型需要追踪癌细胞和展示他们如何流经血管系统,血管壁碰撞所有。同时,他们必须考虑如何癌细胞与大量的红细胞交互旅行,和这一过程如何影响癌症细胞可以在体内植入物本身。

杰弗里·艾姆斯的补充专业知识,杜克大学的一名研究生,哈维的代码库正在经历一个关键整容来支持新的努力。阿贡国家实验室研究员乔用,组织者西尔维奥Rizzi Saumil Patel从阿贡国家实验室,连同Erik Draeger从劳伦斯利弗莫尔国家实验室,也帮助准备反exascale时代的计算研究。

利用今天的高性能计算系统

这种复杂性的数学模拟接地需要大规模并行计算能力的世界上最强大的高性能计算(HPC)系统。到目前为止,反博士和她的团队已经运行哈维仿真和建模的帮助系统安置在橡树岭国家实验室(ORNL)和阿贡。

不过,即使在这种惊人的计算能力水平的系统难以跟上哈维的巨大工作量涉及pb的数据。“一个在活的有机体内这种规模的模拟需要极端的HPC集群计算能力来执行通知模型实时计算。甚至现在可用的最快的HPC系统上,我们使用所有可用的内存来执行任务,“反博士说。“解决我们的新研究转移的过程中,需要和执行复杂的模拟,意味着我们需要更大的计算能力来处理大规模数据集实时。”

Exascale拯救

2021年,阿贡国家实验室计划全国第一个exascale HPC系统,被称为极光,在线。极光的大规模高性能计算基础设施将提供电力以前所未有的计算能力,在每秒每秒计算由于底层技术的未来一代英特尔至强可伸缩的处理器,英特尔Optane直流持久记忆,基于一个新的英特尔Xe架构和技术。反博士补充道:“过去的极光灵巧的瓶颈不会妨碍我们。”

流的速度从哈维流线模拟微脉管系统的几何卡姆实验室在麻省理工学院。信贷:图片由丹尼尔•Puleri杜克大学

帮助确保极光准备撞到地面运行,反博士和少量的其他科学家参与阿贡领导计算设施的早期的科学项目准备不同的科学应用的规模和未来的exascale系统的体系结构。她和她的团队引领机会使用预生产时间在极光进行更详细的分析,并以更快的速度,比之前。

除了工作由反博士牵头,极光将使其他高级研究项目,如研究亚原子粒子,天体物理学,和全球气候分析。

癌症治疗的新见解

“最初,我们的模拟癌细胞旅行将利用广义的实时分析,“平均”人体血管系统,“反。然而,球队仍然专注于更大的,长期的目标。反博士补充道,“在未来,我们希望看到有一天exascale计算机将进一步放一个大的飞跃。我们希望医生有能力检查一个独特的患者的心血管系统和有更好的预测工具来识别转移癌细胞可能会贴上自己的地方。这样做会帮助医生诊断和治疗的目标平均基础上——或者至少了解点二次肿瘤的可能形式,密切关注这些地区。这是特别奖励每天来上班,认识到我们的研究有潜力拯救生命。”

罗伯·约翰逊在他的职业生涯咨询一笔25科技公司。目前,Rob拥有微调,有限责任公司战略营销和通信咨询公司在波特兰,俄勒冈州。作为技术、音频和设备终身爱好者,抢劫也为TONEAudio杂志写道,回顾高端音响设备。

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