Een virtuele bypassoperatie met gridtechnologie
De gridtechnologie ('grid' betekent netwerk) maakt het mogelijk om de effectieve capaciteit van computers te vergroten, door meer computers - dat kunnen er duizenden zijn - met elkaar te verbinden. Aan de UvA wordt gewerkt aan diverse toepassingen: zo is het nu mogelijk om met behulp van de gridtechnologie de meest optimale bypassoperatie te berekenen en na te bootsen. Peter Sloot, hoogleraar Computationele wetenschappen, over een van de belangrijkste technologische vernieuwingen sinds de komst van het internet.
De gridtechnologie is komen overwaaien uit de Verenigde Staten en in een vroeg stadium omarmd door onderzoekers uit CERN, het centrum voor atoomonderzoek in Genève. Deze wetenschappers vroegen zich af hoe de gegevens uit experimenten met hun deeltjesversneller beter konden worden gearchiveerd, verwerkt en beschikbaar gemaakt. De hoeveelheid gegevens die dergelijke experimenten genereren is namelijk enorm: per seconde zijn er tienduizend cd's mee te vullen. Uit die vraag is het initiatief ontstaan om software te ontwikkelen waarmee computers en apparatuur met elkaar kunnen worden verbonden, zodat hun opslag- en verwerkingscapaciteit aanzienlijk kan worden vergroot.
Inmiddels wordt de gridtechnologie door veel mensen gezien als een van de belangrijkste technologische vernieuwingen sinds de komst van het internet. Het Wetenschap en Technologie Centrum Watergraafsmeer (WTCW) van de UvA neemt op het gebied van de gridtechnologie een internationale toppositie in. De informatici van de UvA - die de beschikking hebben over SARA, een internationaal kruispunt van supersnelle internetverbindingen - zijn in vroeg stadium betrokken bij het Europese CrossGrid-project, dat is opgezet omdat de Europese Unie gelijke tred wilde houden met de ontwikkeling van gridtechnologie in de VS.
510137B6-1248-4182-AFAF120B1F421639peter_sloot_02_FOTOhttp://www.uva.nl//cache/510137B6-1248-4182-AFAF120B1F421639.KLIKFOTO.jpgtrue/cache/510137B6-1248-4182-AFAF120B1F421639.FOTO.jpg" name=x
Salami
Het CrossGrid-project heeft inmiddels veel prestige gekregen, zegt Peter Sloot, programmaleider en hoogleraar Computationele wetenschappen aan de UvA: 'Er doen 22 laboratoria uit heel Europa aan mee. We hebben allerlei apparatuur in deze laboratoria aan elkaar geknoopt: scanners, rekenmachines, visualisatiemachines, enzovoort. Mijn onderzoeksgroep is verantwoordelijk voor de interactiviteit (het interactief sturen van de simulaties) en voor de applicaties, waarvan er nu vier op de rails staan. Een van die applicaties is een waarschuwingssysteem voor overstromingen in Oost-Europa, zoals in Polen en rond Bratislava. Daarbij worden de weers- en klimaatvoorspellingen betrokken, de waterstand van moment tot moment, de stroming, de stand van de sluizen, en de beslissingen die beleidsmakers kunnen nemen. Eind volgend jaar moet dit project in de praktijk gaan draaien.'
Andere toepassingen zijn een systeem om het weer en de mate van luchtvervuiling beter te kunnen voorspellen, de genoemde data-analyse op het gebied van hoge-energiefysica, en het berekenen en nabootsen van een bypassoperatie. Met deze laatste applicatie loopt de onderzoeksgroep van Peter Sloot in de gridwereld voorop.
'We zijn de eersten die een werkend gridsysteem hebben ontwikkeld op pan-Europees niveau, waarin virtual reality, simulatie, interactie en analyse van biomedische processen zijn geïntegreerd. Met behulp van computersimulatie zijn we onder meer in staat om de gevolgen op de bloeddoorstroming bij een bypassoperatie driedimensionaal door te rekenen, onderzoek dat we samen doen met onder andere de universiteit van Stanford in Californie. Tot nu toe konden chirurgen zich voornamelijk met tweedimensionale en gefragmenteerde beelden op een dergelijke operatie voorbereiden. Een arts verzuchtte eens in het tijdschrift Nature dat hij bij de bestudering van een scan bijna altijd tegen plakken salami zat aan te kijken, terwijl hij de hele worst wilde zien. Met de gridtechnologie en geavanceerde numerieke modellen is dat nu mogelijk geworden.'
DA4C359E-B3BE-49DF-8E103E5363586C92peter_sloot_03_FOTOhttp://www.uva.nl//cache/DA4C359E-B3BE-49DF-8E103E5363586C92.KLIKFOTO.jpgtrue/cache/DA4C359E-B3BE-49DF-8E103E5363586C92.FOTO.jpg" name=x
Virtual reality
Hoe gaat zo'n virtuele bypassoperatie in zijn werk? Peter Sloot: 'Stel als voorbeeld, een arts geeft ons het geval van een patiënt met koude voeten, waarschijnlijk vanwege problemen met de bloeddoorstroming (door een stenosis, een verdikking in de bloedvatwand). Er wordt dan bijvoorbeeld in Duitsland een hoogresolutie MRI scan gemaakt van de (slag)aderen van die patiënt. De beelden die de scan oplevert vinden vervolgens over het grid hun weg naar Leiden, waar de software automatisch die driedimensionale beelden segmenteert, analyseert, en de stenosis identificeert. Vervolgens wordt onder meer de bloeddoorstroming doorgerekend op - op dat moment beschikbare - computer clusters in bijvoorbeeld Polen en Portugal, gebaseerd op een stromingssimulatieprogramma dat we de afgelopen jaren hebben ontwikkeld. Bovendien kunnen we informatie vergaren over de organen eromheen, waardoor de arts zich ruimtelijk kan oriënteren en precies kan zien waar de (slag)ader dichtzit. Hij kan zelfs met behulp van virtual reality in de (slag)ader kruipen, wat overigens een heel spectaculair gezicht is. Het lichaam wordt weergegeven op een groot scherm, waar je dan van alle kanten de bewerkte beelden kunt bekijken.
Uit de gegevens kan blijken dat de arts een bypass moet maken, zodat het bloed weer goed naar de benen kan stromen. Met behulp van de gegevens over de bloeddoorstroming en de driedimensionale informatie krijgt de arts nu een indruk hoe hij de operatie moet uitvoeren. Vervolgens construeert hij een bypass in virtual reality. Die informatie gaat weer naar de grid, waar wordt uitgerekend hoe de bloeddoorstroming zou zijn bij een dergelijke bypass. De grid kan snel doorrekenen wat het effect is van een bypass bij alle mogelijke hoeken, en wat het effect is als je die hoek verandert. Op die manier kunnen verschillende scenario's worden berekend. Die informatie wordt vervolgens weer gevisualiseerd. De arts weet nu hoe hij de operatie zo efficiënt mogelijk kan uitvoeren.'
Interdisciplinair
Bij de ontwikkeling van een dergelijk gridproject komt veel kijken. Peter Sloot: 'We bemoeien ons met de onderliggende hardware, de middleware, het systeem beheer, de data van de vasculaire reconstructie en de informatie verwerking van de medici. Ook houden we ons bezig met de beveiligingsaspecten en met de ziekenhuisinformatiesystemen. Het project raakt aan de wiskunde, biologie, geneeskunde, informatica en natuurkunde. Zo is er een nieuw natuurkundig model ontwikkeld om de bloeddoorstroming te berekenen op gedistribueerde processoren, gebaseerd op cellulaire automaten theorie uit de informatica, er zijn nieuwe visualisatietechnieken en apparatuur ontwikkeld, en een nieuwe numerieke manier om de stress-tensor snel uit te rekenen: een wiskundige grootheid waarmee je snel de plaats en de mate van het dichtslibben kan identificeren. Als iets interdisciplinair is, is dit het wel.'
Maar bij de ontwikkeling van een gridsysteem speelt vooral de informatica een cruciale rol. 'Om om alle computers op een zinvolle en betrouwbare manier aan elkaar te kunnen knopen, moet je eerst een goed model van het systeem kunnen maken en dan de verschillende functionaliteiten stuk voor stuk toevoegen en testen. De formele methoden en de engineering technieken uit de informatica zijn onmisbaar voor het maken van een goed, valideerbaar ontwerp. De ontwikkeling van een complex systeem als het grid kun je niet aan een soort van 'evolutie' overlaten. De psycholoog Piet Vroon heeft eens geschreven in De tranen van de krokodil dat ons gedrag vaak niet erg rationeel is, omdat onze hersenen in de loop van de evolutie laag na laag zijn opgebouwd. Die lagen werken niet altijd goed samen, wat soms zelfs tot 'kortsluiting' in de hersenen leidt. Met behulp van de informatiewetenschappen kun je voorkomen dat met complexe systemen zoals de grid hetzelfde gebeurt.'
Gridforum Nederland
De stormachtige ontwikkelingen op het gebied van de grid worden ook steeds beter gecoördineerd. Op 11 december jongstleden is in het WTCW de vereniging Gridforum Nederland opgericht (doel van dit forum is om de Nederlandse kennis op het gebied van de gridtechnologie te bundelen en op nationaal niveau te gaan samenwerken).
Daarnaast zullen de biomedische toepassingen van het onderzoek van Peter Sloot en zijn onderzoeksgroep zich blijven uitbreiden. 'Onze volgende stap in het by-pass project is het simuleren van de plaatsing van stents: dat zijn verstevigende stukjes die in de aorta kunnen worden geplaatst als deze zwak is geworden. Bij de berekeningen gaat het dan om de vraag welke stents je moet plaatsen, en hoe en waar je ze moet plaatsen. Die applicatie gaan we nu bouwen samen met een een aantal chirurgen en ziekenhuizen. Daarnaast zijn we nauw betrokken bij het Europese Healthgrid project en het Amerikaanse Biogrid programma; hierin worden de door ons ontwikkelde modellen en methoden verder ontwikkeld voor brede toepassing in de bio-medische wetenschappen.'
Bron: UvA Persvoorlichting
persagenda-bc@uva.nl
De academische plechtigheden vinden plaats in de Aula van de UvA, Singel 411, Amsterdam. Meer informatie over de items in deze agenda kunt u krijgen bij de afdeling Persvoorlichting, tel. 020 - 525 2695, e-mail:
Universiteit van Amsterdam