Solución del problema directo de inclusiones en medios turbios usando simulaciones de Monte Carlo implementadas en GPU

N. CARBONE; M. V. WAKS SERRA; H. GARCÍA; D. I. IRIARTE; JUAN ANTONIO POMARICO; H. O. DI ROCCO; H. F. RANEA SANDOVAL

Congreso; AFA2009; 2009

La propagación de luz infrarroja (IR) en medios turbios ha sido un tema de gran interés en óptica en la última década por sus aplicaciones biomédicas. Esta técnica no sólo evita la exploración de tejidos usando radiación ionizante, sino que, a diferencia de ella, es capaz de dar información tanto de la localización de lesiones, como también de su composición. El objetivo final es poder hallar la distribución de inhomogeneidades (lesiones) en tejidos a partir de múltiples imágenes obtenidas en forma no invasiva. Este problema, denominado inverso, es de una extrema complejidad debido a que la difusión de la luz en los tejidos elimina casi en su totalidad la información espacial. Si bien existen algunas propuestas de solución, es siempre necesario poder comparar los resultados con situaciones conocidas (problema directo). Por su parte los modelos teóricos para medios no homogéneos, más allá de algunos casos particulares, no han sido desarrollados. La solución más habitual del problema directo, tomada incluso como estándar en la literatura, se basa en simulaciones de Monte Carlo (MC), que permiten manejar tanto geometrías diversas, como variar en forma muy versátil los parámetros ópticos del medio y de la inclusión. Sin embargo, la naturaleza estocástica de estas simulaciones requieren de un gran número de eventos  para obtener resultados con una relación señal/ruido razonable, llevando el tiempo de cálculo a extremos a veces impracticables (semanas o incluso meses).Este trabajo presenta una variante de cálculo de Monte Carlo por medio de placas gráficas (GPU) utilizadas como aceleradoras de video juegos, concebidas y desarrolladas para el procesamiento paralelo de datos. Por medio del uso de una placa gráfica comercial, y debido a que las simulaciones de Monte Carlo para el problema planteado son altamente paralelizables (cada fotón realiza un recorrido en el medio turbio independiente de todos los otros), es posible reducir los tiempos de cálculo en varios órdenes de magnitud (dos o más, según el problema) llevando los mismos a pocos minutos. De este modo es posible usar estas simulaciones en forma realimentada para comparar sus resultados con los experimentos, y obtener así el conjunto de parámetros ópticos que mejor ajusta al experimento, en una suerte de método inverso. En particular presentamos el ejemplo de un cilindro de Delrin inmerso en un medio turbio con propiedades ópticas similares a las de los tejidos biológicos. Se muestran los resultados del experimento, del mejor ajuste usando MC y una curva obtenida de un modelo teórico.