Quantum computing zou de hardnekkige problemen van radiotherapie kunnen aanpakken - Physics World

Kwantumcomputing is een snel evoluerende technologie die de belofte biedt van een exponentieel grotere rekenkracht dan de huidige klassieke computers. Zou het vakgebied van de medische fysica deze opkomende systemen kunnen exploiteren, en hoe zou zo’n enorme verwerkingskracht het beste kunnen worden benut voor klinisch voordeel?

Sprekend op de recente AAPM Jaarvergadering in Houston, Texas, Amit Sawant van de University of Maryland School of Medicine onderzocht de mogelijke toepassingen van quantum computing binnen radiotherapie. “Radiatie-oncologie als discipline heeft waarschijnlijk meer energie nodig dan de meeste andere disciplines. We hebben grote, ruimtelijk en temporeel rijke datasets, en we hebben ook zeer ingewikkelde klinische workflows”, legt hij uit.

Kijkend naar de vooruitgang in traditionele computertechnologieën, beginnend bij de eerste digitale computer voor algemeen gebruik Sawant, gebouwd in 1945, merkte op dat “we elke drie of vier decennia onze rekenkracht vrijwel met zes ordes van grootte hebben vergroot”. Kwantumcomputers hebben echter het potentieel om die vooruitgang massaal te overtreffen door een exponentieel hogere toename te bewerkstelligen. “Dat maakt ons nederig en verruimt ons denken echt”, zei hij tegen het publiek.

Geschikte toepassingen

Klassieke computers slaan informatie op in ‘bits’, terwijl kwantumcomputers kwantumbits of ‘qubits’ gebruiken. Deze qubits zijn gebaseerd op een fysiek systeem dat zich in twee kwantumtoestanden kan bevinden (zoals bijvoorbeeld de op- en neerwaartse spintoestanden van een elektron, of de horizontale en verticale polarisatie van een foton). Het grote verschil is dat een bit soms 0 of 1 kan zijn, maar qubits kunnen ook bestaan ​​in een superpositie van de twee toestanden. Dit resulteert in een veel grotere opslagcapaciteit – waarbij de hoeveelheid data die kan worden opgeslagen exponentieel toeneemt met het aantal qubits – en een gelijkwaardige toename van de verwerkingskracht.

Binnen de radiotherapie zou toegang tot snellere computers kunnen helpen bij veel dagelijkse klinische taken, zoals contouren maken, beeldreconstructie, planoptimalisatie en dosisberekeningen, legt Sawant uit. Maar hij wees erop dat conventioneel computergebruik zal verbeteren om aan deze behoeften te voldoen, waarbij er de komende jaren waarschijnlijk tien tot honderd keer snellere computers zullen verschijnen. “Dit is niet echt waarvoor quantum computing moet worden ingezet”, zei hij.

In plaats daarvan, zo stelde hij, zou de bestralingsoncologie gebruik moeten maken van twee belangrijke eigenschappen van kwantumcomputers: hun enorme opslagcapaciteiten en, zodra grote hoeveelheden gegevens zijn opgeslagen, hun vermogen om tegelijkertijd bewerkingen op al deze gegevens uit te voeren. “Deze twee eigenschappen maken quantum computing ideaal voor de optimalisatie van radiotherapie, omdat we veel variabelen hebben waarop we dezelfde bewerking moeten uitvoeren om het globale minimum te vinden.”

Sawant legde uit dat de optimalisatie van radiotherapie een rekenkundig moeilijk en complex probleem is, waarbij verschillende aannames en benaderingen worden gebruikt om een ​​geoptimaliseerd plan te creëren in een klinisch haalbare tijd. Maar omdat de plaatsingstechnieken steeds complexer worden – bijvoorbeeld door gebruik te maken van niet-coplanaire balken of meerdere bogen – garandeert deze aanpak niet altijd een optimaal resultaat. Kwantumcomputers kunnen de noodzaak van benaderingen wegnemen en garanderen dat mondiale minima worden bereikt, zei hij.

Hij beschreef een voorbeeld van zo’n complexe optimalisatie: real-time volumetrisch bewegingsmanagement voor radiotherapie van bewegende tumoren. “We moeten geen straling afgeven door alleen maar het doel te achtervolgen, we moeten het hele volume achtervolgen omdat het allemaal wordt beïnvloed door straling,” legde hij uit. Het betrekken van omringend normaal weefsel in het optimalisatieproces maakt dit echter tot een enorm probleem. “We gebruiken een combinatie van deeltjeszwermoptimalisatie en mixed integer programming om dit te bereiken, wat dosimetrische voordelen oplevert, maar niet praktisch is in de klinische omgeving.”

Sawant en zijn team doen ook onderzoek naar het functioneel sparen van de longen, waarbij een radiotherapieplan wordt opgesteld dat ervoor zorgt dat de ventilatie na de behandeling behouden blijft. Dit is een ander zeer complex probleem: waarbij elk luchtwegsegment in de long wordt aangemerkt als een orgaan-at-risk (OAR), in plaats van de gebruikelijke 10 of 20 OAR's, zijn er nu 250 om te overwegen. Nogmaals, dit kan worden bereikt met behulp van zwermoptimalisatietechnieken op zeer geavanceerde computers, maar het proces duurt nog steeds enkele uren tot meerdere dagen.

“Deze problemen kunnen zeker worden aangepakt door kwantumcomputers”, zegt Sawant. “Maar dat is nog steeds klein denken. Wat als je een miljoen of een miljard keer meer rekenkracht had, wat zou je dan kunnen doen?”

Toekomstige blikken

Een beperking van de huidige radiotherapie is de anatomiegerichte aanpak, waarbij elk orgaan afzonderlijk wordt behandeld. Het menselijk lichaam bevat echter veel op elkaar inwerkende systemen – het cardiovasculaire systeem, het ademhalingssysteem enzovoort – die eigenlijk samen moeten worden beschouwd. Sawant legde bijvoorbeeld uit dat als radiotherapie de longen aantast, het hart onder druk komt te staan, en als het hart onder druk staat, moeten de longen sneller werken om dezelfde output te produceren. Maar momenteel zijn de behandelplannen niet geoptimaliseerd om de functie van de twee organen tegelijkertijd te behouden.

"De volgende stap is om het hele menselijk lichaam te beschouwen als een reeks onderling verbonden systemen. We kunnen ons op dit moment niet eens voorstellen dat we dat doen omdat we niet over de rekenkracht beschikken", zegt Sawant. “Het optimalisatieprobleem wordt steeds exponentiëler in omvang. Quantum computing kan ons helpen deze grote problemen op te lossen.”

Verder kijkend in de toekomst stelde Sawant het idee voor om een ​​radiotherapie-specifieke digitale tweeling van een mens te creëren. Dit zou een multischaalmodel zijn, variërend van het cellulaire niveau tot het anatomische en systeemniveau, dat de reactie van een patiënt op radiotherapie nauwkeuriger zou moeten voorspellen. Het zou ook optimalisatie mogelijk kunnen maken van multimodale behandelingen, waaronder chemotherapie, immunotherapie en chirurgie. "Dit is een probleem dat zo'n grote rekenkracht waard is", zei hij.

“Quantum computing vertegenwoordigt intrigerende mogelijkheden voor de oncologie. Het dwingt ons om groter te denken dan ooit tevoren”, aldus Sawant. Hij benadrukte dat dit geen onmiddellijke oplossing is, omdat hiervoor de ontwikkeling van zeer verschillende algoritmen en datastructuren nodig is om het potentieel ervan volledig te kunnen benutten. “Maar over het algemeen denk ik dat de toekomst erg spannend is”, concludeerde hij.

AI voor intelligentere ontdekking van geneesmiddelen

Wat betreft de waarschijnlijke eerste rol van kwantumcomputers in de radiotherapie, Larry Antonuk van de Universiteit van Michigan, die deze AAPM-sessie organiseerde en de inleidende lezing presenteerde, suggereert dat behandelingsplanning wellicht als eerste hiervan zal profiteren.

"Gezien de uitdagingen waarmee de ambitieuze doelstellingen voor de ontwikkeling van kwantumprocessors en kwantumfoutcorrectie worden geconfronteerd, is het waarschijnlijk dat we eerst rudimentaire (gevolgd door steeds geavanceerdere) inspanningen zullen zien om de groeiende mogelijkheden van kwantumcomputers te benutten om de kwaliteit van behandelplannen te verbeteren", zegt Antonuk. vertelt Natuurkunde wereld. "Dit zal uiteindelijk worden gevolgd door pogingen om real-time verbetering te bieden aan de precieze levering van stralingstherapiestralen."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• ChartPrime. Verhoog uw handelsspel met ChartPrime. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/quantum-computing-could-tackle-radiotherapys-intractable-problems/