英偉達Quadro讓醫生能夠探索人類心臟

2023-09-11 21:13:25 3

挑戰：

    2006年，倫敦大學學院附屬醫院心臟病科室的三名臨床醫生Sue Wright、Andrew Smith以及Bruce Martin分享心得時一致認為，令三人感到沮喪的是，目前還沒有逼真的人類心臟模型能夠用來講解心臟解剖學。 他們因此萌生了製作虛擬心臟的想法。如果能夠基於解剖學3D數據集，正如我們能夠用此類模型生成模擬的超聲波圖像一樣，那麼這一想法就能夠快速成為現實。 對培訓而言，這一想法具有重大的意義，因為此類模型還可以用來模擬經食道超聲波心動描記（TOE或TEE）體驗。經食道超聲波心動描記是一項很難實施的檢查，因為針對病人跳動的心臟，該項檢查需要插入一個內部探頭來捕捉其圖像。

    Glassworks是一家總部位於英國屢獲殊榮的視覺特效公司，這些臨床醫生找到該公司的創作藝術家團隊並談了自己的想法之後，設計思路便初具模型。 目標是打造一個符合解剖學精確性且由計算機生成的心臟模型，該模型可即時生成逼真的超聲波圖像，呈現出動畫效果，因而能夠實時展示心跳周期內心臟形狀的變化。如此一來，醫生便能夠查看心臟跳動的每一幅場景，以得出極富價值的診斷見解。

解決方案：

Glassworks開發虛擬心臟模型

    這些臨床醫生和Glassworks公司將該項目命名為HeartWorks，在開發和應用這一業內創新臨床培訓工具的過程中，該項目依賴的是英偉達Quadro專業圖形解決方案的高性能計算和可視化能力。

    Glassworks公司的一小隊藝術家與開發人員開始收集大量的心臟數碼圖像，從參加心臟直視手術到體驗人類心臟跳動，他們做了大量工作。 隨著開發工作的展開，Wright、Smith以及Martin聯手一流的外科醫生、心臟形態學家、超聲波專家以及其他專家共同與Glassworks商討這一系統的開發。

    為打造出複雜、逼真的心臟模型和實時動畫，Glassworks的藝術家和動畫師採用了Autodesk Softimage 3D動畫軟體，而所使用的硬體則為配備英偉達Quadro圖形處理器（GPU）的工作站。 這些專業圖形解決方案可提供足夠的處理能力，讓人們能夠以每秒30幀的速度渲染高畫質圖像。如此一來，便保證了動畫的逼真度和流暢度。

    Glassworks公司創始人Hector McLeod表示：「藉助令人身臨其境的技術，用戶可以在屏幕上同3D圖像進行互動。然而過去，這種技術一直受限於圖形技術的發展水平和預算。 「英偉達並行GPU技術所實現的突破改變了這一現狀。
在HeartWorks中，英偉達GPU所做的是，在一系列本身很複雜的事件中，載入和顯示極其複雜的模型並以每秒30幀的速度進行渲染。 在任何一幀中，我們都利用GPU來檢查模型，將模型切分成片，對畫面進行註解並顯示兩種可視化效果——模型視圖以及超聲波視圖。這一過程用時不到1/30秒。」

    Glassworks軟體工程師David Llewellen補充道：「英偉達Quadro是非常好的的專業圖形解決方案，該解決方案可輕鬆處理我們交給它的大量數據。 該模型擁有大量的多邊形 —— 250,000個。我們將生成兩種模擬效果，而且還要生成全套的解剖學標籤。 為了讓模型具備出眾的圖形效果，我們還採用了極其精細的紋理，大部分紋理採用OpenGL並且運行GL Shader語言。 我們需要強大的處理能力來即時滿足所有這些要求，這樣才能確保HeartWorks提供實時的體驗。」

    Glassworks與倫敦大學學院附屬醫院心臟病科室的臨床醫生通過倫敦Inventive Medical公司將HeartWorks推廣上市。Inventive Medical公司負責為醫院、實驗室以及大學提供集成、安裝和支持該系統的服務。 交付到客戶手中時，HeartWorks產品是一種可即刻投入使用的系統，其中包含了HeartWorks軟體。該產品包括互動、虛擬心臟模型與超聲波的模擬程序、配有英偉達Quadro專業顯卡的高性能工作站、顯示器/鍵盤/滑鼠以及探頭和假人模型的軀幹。在講授TOE/TEE操作步驟時，該產品讓受訓人員能夠獲得親身體驗。 

影響：

HeartWorks在美國杜克大學投入使用

    美國杜克大學是早期採用HeartWorks的用戶之一。具體一點講，是醫學院心胸麻醉及危重症系的麻醉學專業。 該院繫於2009年初購置了這款模擬器，為住院醫生和研究員講授高級的經食道超聲波心動描記課程。 住院醫生在第一年、第二年以及第三年均主要使用該產品來學習基本的超聲波心動描記觀點和解剖學，學習高級課程的研究員利用該產品來檢查更加細微的特徵。

    美國杜克大學醫學院心胸麻醉系的Madhav Swaminathan醫生是一位醫學博士、優秀教職工，同時還是美國心臟學會院士。他表示：「模擬技術讓我們能夠在教學工作中實現巨大飛躍。 「這款系統基本上能夠清晰地模擬跳動的心臟。 超聲波圖像是如何形成以及如何與解剖特點相關聯的呢？想要解釋這一點是非常困難的。 當你利用探頭更改圖像平面時，很難了解屏幕上看到的是心臟的哪一部分，因為心臟是三維的，而你是在180度平面上運用3D視圖。 模擬器讓人們能夠看到視圖的並排對比，你不僅能夠看到超聲波圖像是如何生成的，而且還能夠了解到切片意味著什麼。所有這些都是在一個盡在掌控的輕鬆環境下實現的，你既不必擔心妨礙病人的臨床治療，也不必擔心耗費太長時間。 這種虛擬環境技術為住院醫生帶來了全新的突破。」

    Swaminathan醫生進一步解釋了模擬技術的主要優勢，即能夠為住院醫生和研究員帶來實時互動體驗。 「與不得不按照老師的想法行事相比，能夠看到心臟跳動並隨意更改其圖像平面、對其切片和進行操作無疑是互動教育中的一次重大突破。」

接下來推出一種全新的HeartWorks應用

    在TOE/TEE應用模擬器取得成功之後，倫敦大學學院附屬醫院心臟病科室與Glassworks團隊開始開發另一款HeartWorks設備。該設備叫做TTE，能夠模擬外部超聲波檢查體驗。 與最初的HeartWorks應用一樣，該設備利用同一種虛擬心臟模型，然而通過探頭實現的互動則能夠生成肺部和肋骨的切片平面，用戶也能夠看到肺部和肋骨。

    在TTE應用的開發過程中，通過利用英偉達?（NVIDIA®）CUDA程式語言來編寫著色器工具以實現更大的性能提升，Glassworks公司正在探索如何進一步利用英偉達Quadro GPU技術。 Glassworks公司的Llewellyn表示：「我們希望進一步實現優化，以使該產品運行得更快、圖像效果更佳。 無論英偉達接下來推出哪些開發成果，我們都將對其進行充分利用。」