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使用智能手機與電腦 模擬致命的心律失常

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/04/17
使用專為遊戲應用程式設計的圖形處理晶片,和在普通網絡瀏覽器上運行的軟體,在智能手機或個人電腦上模擬致命的螺旋波心律失常。圖片來源:喬治亞理工學院

對導致心律失常的複雜電波進行建模,可以為理解和治療世界上的主要死亡原因提供關鍵資訊。然而,到目前為止,在數百萬個相互作用的心臟細胞中,對這些致命波形進行即時建模,需要特別強大的電腦集群,甚至是超級電腦。

研究人員使用專為遊戲應用而設計的圖像處理器,和在普通網路瀏覽器上運行的軟體,將這種致命的螺旋波心律失常模型,轉移到成本較低的電腦,甚至是高端智能手機,將即時3D建模交給臨床醫生,有朝一日會使用該系統來診斷和治療這些異常的心律。新工具還可以幫助研究人員,研究可能導致心律失常的新藥物。

除了可能需要解決數十億個方程式的心臟問題之外,這些工具還可以應用於其他物理系統,例如流體流動和晶體生長。該研究得到了美國國家科學基金會和美國國立衛生研究院的支持,於327日在《 科學進展 》雜誌上發表。新的仿真工具依賴於Web圖形庫(WebGL 2.0),可以在大多數常見的操作系統上運行,而與操作系統無關。

喬治亞理工學院物理學院教授Flavio Fenton說:「世界上只有少數研究人員可以使用的模型,現在可供更多的團體使用。這打開了許多其他研究領域的大門,在這些研究領域,人們可以並行運行方程式。任何人都可以使用這些解決方案,這些解決方案的運行速度比標準CPU快幾千倍。」

喬治亞理工學院和羅切斯特理工學院的Fenton和合作者,一直在研究有害的心律模式,並且可能設計出超越現有治療的控制策略。這些治療使用藥物、植入裝置和組織消融來阻止心律失常。最終,研究人員設想醫生在平板電腦上使用模擬。

羅切斯特理工學院和項目研究人員之一,數學教授Elizabeth Cherry說:「能夠在三維空間內進行即時模擬,可以為臨床應用打開大門,在這些應用中,我們可以實際獲得患者的幾何形狀,並在心臟細胞中解決這些方程式。我們可以在診所看到可根據其特定的心臟幾何形狀個體化治療的應用。」

他們所做的工作的關鍵是圖像處理器(GPU),這是為幫助電腦顯示圖形和影片而開發的。隨著電腦遊戲行業的發展,需要快速並行處理的GPU開發和應用已經開始。高端智能手機擁有多達900GPU核心,而筆記型電腦或桌上型電腦的高端顯卡可能擁有5,000多個GPU核心。每個核心都可以處理仿真數據,提供大規模平行電腦系統。

Fenton說,在過去幾年中,GPU已經變得非常強大。每個人都有多個處理器,所以可以像超級電腦那樣平行運行問題。必須為每個細胞計算多達4050個微分方程,我們需要了解數百萬個細胞如何相互作用。即使是手機也可能有足夠的GPU內核來運行這些模擬。

利用GPU的能力並不是研究人員所做的全部工作。GPU的軟體因製造商和晶片類型而異。為了讓模擬在任何GPU上運行,研究科學家Abouzar Kaboudian開發了一個多功能編程庫,使合作團隊能夠開發如ChromeFirefox等網路瀏覽器。透過瀏覽器,這些工具可以在各種桌上型電腦、平板電腦和手機上運行模擬,而無需在安裝任何新程式。

Kaboudian說:「只要使用FirefoxChrome等瀏覽器,就可以在電腦顯示卡上運行模擬。任何可以平行化的問題都可以在我們創建的庫上運行。它將使任何電腦上的模擬加速數百次。」

雖然最初的目標是模擬心律失常,但這些工具可用於其他模擬,如化學反應、流體流動、晶體生長和地球物理力。

「擺動力可以縮短石油平台和水下管道等土木工程結構的使用壽命,」Kaboudian說。「要了解這些力,必須了解結構周圍的流體流動以及如何控制振盪。透過該程式,可以看到更改的效果,以實時修改設計策略。」

研究人員基於他們的WebGL程式設計開發了十種不同的模型,並計劃將這些工具提供給想要使用它們的其他研究人員。他們正在計劃未來的增強功能,例如能夠在多個GPU卡上,運行模擬以實現更高的計算速度。

Kaboudian表示,雖然高階顯卡的成本可能高達數千美元,但即使是那些僅花費數百美元的顯卡也可以提供計算能力,這種計算能力只能在通常耗資數十萬美元的超級電腦上實現。透過這種方式,與運行大型電腦集群或超級電腦相比,它們可以真正的節省,使更多的研究人員使用模擬。

Cherry指出,相較於傳統的超級電腦,能夠在GPU卡上運行這些模擬大大降低了成本,即使是高端手機的GPU也可以運行這些模擬。透過將這些模擬轉移到研究人員熟悉的設備上來擴大使用範圍。