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“5天缩短至15分钟”，IBM将源自EDA的技术应用于质子线治疗

http://cn.newmaker.com 1/29/2013 9:04:00 AM 日经BP社

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与设计自动化大会（DAC）齐名的LSI与系统设计国际会议“亚洲及南太平洋设计自动化会议（ASP-DAC) 2013”于2013年1月22日～25日在位于日本横滨市的太平洋横滨国际会展中心举行。会议首日（23日）上午，在介绍论文采用情况等的报告会及最佳论文奖（Best Paper Award）等颁奖仪式结束之后，IBM公司发表了主题演讲。

登台演讲的是IBM Austin研究所的Sani Nassif，演讲题目为“From Circuits to Cancer”，直接翻译过来，就是“从电路到癌症”，仅从标题很难明白其含义，其主旨是“在LSI及EDA领域培育的技术在实际的癌症治疗中发挥了作用”。这样的内容让最近形势不太好的LSI及EDA领域的技术人员受到鼓舞。

前列腺癌的治愈率提高

众所周知，癌症是与心脏病及脑血管疾病并列的、导致人类死亡的重要原因之一。从美国的男性来看，癌症是仅次于心脏病的第二大死因（就日本人而言，癌症以微差居首）。在各种癌症当中，肺癌的死亡率最高，前列腺癌为其次。近年来，前列腺癌的死亡率稍有下降。其原因是，医疗研究人员发现质子线放射治疗对前列腺癌十分有效，提高了前列腺癌的治愈率。

美国有10个以治疗癌症为目的的质子线治疗中心。一个治疗中心的建设费用为1.5亿美元，费用如此高的原因是需要设置基本粒子加速器等大型装置。

质子线治疗通过使质子照射位置附近的癌细胞失去再生能力，来杀死癌细胞，但同时也会使普通细胞失去再生能力，因此通过精确定位技术向癌细胞照射质子线十分重要。与其他放射线治疗方法不同，质子线治疗在距离装置约10cm的位置效果最好。

因此，如果以恰当的方向和形状在适当的时间内照射适量质子线，就有可能在对质子线通道上的普通细胞不造成影响的情况下，瞄准并杀死癌细胞。为实现这一点，能够进行大规模物理信息建模、建立算法并开发软件的LSI及EDA工程能力非常有效。

使用图像处理技术锁定肿瘤

质子线治疗的一般过程为（1）通过MRI及CT进行检查；（2）推测肿瘤的形状等特性；（3）由人工对质子线照射方向、距离、形状、时间及照射量等进行设计；（4）评估照射设计；（5）对装满水的水槽照射质子线并进行验证；（6）进行正式治疗，再返回（1）重复这一过程。

据Nassif介绍，需要将这一治疗过程重复30次左右才能治愈癌症。需要使用加速器的质子线治疗装置成本很高，而且，还需要肿瘤学专家和拥有博士学位的物理学家来制定计划和进行评估，因此治疗费用非常昂贵。而且，一个疗程需要花费5天左右的时间，有时还会发生在质子线治疗过程中患者病情恶化的情况。

要解决质子线治疗成本高、时间长的问题，EDA技术人员可在其中的一个阶段发挥作用。具体而言，就是使用图像处理技术的肿瘤锁定阶段。技术人员可通过三维蒙特卡洛模拟，提供可以设计的质子线照射分析模型。此时，LSI设计技术对治疗发挥了积极作用，这就是此次主题演讲题目中蕴含的意义。

高速执行线性规划问题求解

进行LSI设计时，首先是从Si与SiO2重叠的MOS FET的模型化开始，最后是对庞大的LSI设计数据进行整理。IBM将这一过程中所需要的抽象化、简略化及分层化技术运用在了质子线治疗设计中。也就是说，把需要照射大量质子线的肿瘤部分上照射到的质子线的能量、不需要照射质子线的部分的质子线能量、用来引导这些能量的方向与形状、时间等作为约束条件，利用线性规划法来建模。

这个线性规划问题需要100万个变量、100万个约束条件、20％的稀疏度、1T～6TB的行列式，但如果使用IBM的计算机和“CPLEX”（用来高效求解线性规划问题的软件），5分钟左右便可求出解。由于该线形规划模型包含了所有条件，因此不需要专家评估，也不需要使用水槽来验证。由此，可将此前需要约5天时间的一个疗程缩短至15分钟左右，而且可以只照射擅长遏制肿瘤的质子线。也就是说，可以实现从检查开始的实时质子线治疗。

能够解释自己的工作

演讲最后，Nassif呼吁会场的听众说，不要只追求LSI及EDA，要与其他领域合作，还有很多复杂的大问题需要LSI及EDA技术人员参与。IBM建议LSI及EDA技术人员，在“智慧地球”（Smarter Planet）的理念下，与相邻领域开展合作。

Nassif在演讲中说，在以前他还是一名EDA技术人员时，很不愿意向朋友解释自己的工作。LSI如何开发、在此过程中工具如何发挥作用等，基本上都无法向对方解释清楚。但现在他能很轻松地向别人解释这些，甚至还可以向自己的母亲解释自己的工作。Nassif说，只要跟她说“在研究癌症治疗”就可以了，并以此结束了此次的演讲。（特约撰稿人：秋元大辅，EDA Online特派员）

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