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Previous issue date: 2014-11-05 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este estudo tem como objetivo a modelagem numérica do tratamento de tumores
sólidos com hipertermia utilizando nanopartículas magnéticas, considerando o modelo
tridimensional de biotransferência de calor proposto por Pennes (1948). Foram
comparadas duas diferentes possibilidades de perfusão sanguínea, a primeira constante
e, a segunda, dependente da temperatura. O tecido é modelado com as camadas de
pele, gordura e músculo, além do tumor. Para encontrar a solução aproximada do
modelo foi aplicado o método das diferenças finitas (MDF) em um meio heterogêneo.
Devido aos diferentes parâmetros de perfusão, foram obtidos sistemas de equações lineares
(perfusão constante) e não lineares (perfusão dependente da temperatura). No domínio
do tempo foram utilizados dois esquemas numéricos explícitos, o primeiro utilizando o
método clássico de Euler e o segundo um algoritmo do tipo preditor-corretor adaptado
dos métodos de integração generalizada da família-alpha trapezoidal. Uma vez que a
execução de um modelo tridimensional demanda um alto custo computacional, foram
empregados dois esquemas de paralelização do método numérico, o primeiro baseado
na API de programação paralela OpenMP e o segundo com a plataforma CUDA. Os
resultados experimentais mostraram que a paralelização em OpenMP obteve aceleração
de até 39 vezes comparada com a versão serial, e, além disto, a versão em CUDA também
foi eficiente, obtendo um ganho de 242 vezes, também comparando-se com o tempo de
execução sequencial. Assim, o resultado da execução é obtido cerca de duas vezes mais
rápido do que o fenômeno biológico. / This work deals with the numerical modeling of solid tumor treatments with hyperthermia
using magnetic nanoparticles considering a 3D bioheat transfer model proposed by
Pennes(1948). Two different possibilities of blood perfusion were compared, the first
assumes a constant value, and the second one a temperature-dependent function. The
living tissue was modeled with skin, fat and muscle layers, in addition to the tumor.
The model solution was approximated with the finite difference method (FDM) in
an heterogeneous medium. Due to different blood perfusion parameters, a system of
linear equations (constant perfusion), and a system of nonlinear equations (temperaturedependent
perfusion) were obtained. To discretize the time domain, two explicit numerical
strategies were used, the first one was using the classical Euler method, and the second one
a predictor-corrector algorithm originated from the generalized trapezoidal alpha-family
of time integration methods. Since the computational time required to solve a threedimensional
model is large, two different parallel strategies were applied to the numerical
method. The first one uses the OpenMP parallel programming API, and the second
one the CUDA platform. The experimental results showed that the parallelization using
OpenMP improves the performance up to 39 times faster than the sequential execution
time, and the CUDA version was also efficient, yielding gains up to 242 times faster than
the sequential execution time. Thus, this result ensures an execution time twice faster
than the biological phenomenon.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:hermes.cpd.ufjf.br:ufjf/3499 |
| Date | 05 November 2014 |
| Creators | Reis, Ruy Freitas |
| Contributors | Loureiro, Felipe dos Santos, Lobosco, Marcelo, Rocha, Bernardo Martins, Mansur, Webe João, Oliveira, Rafael Sachetto |
| Publisher | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional, UFJF, Brasil, ICE – Instituto de Ciências Exatas |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFJF, instname:Universidade Federal de Juiz de Fora, instacron:UFJF |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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