Nowości

NVIDIA Quadro umożliwia odbywającym staż klinicystom zgłębianie tajników ludzkiego serca

 
 

Szpital Kardiologiczny UCLH łączy siły z Glassworks w zadaniu stworzenia systemu HeartWorks.

WYZWANIE
Heartworks

W roku 2006 trzech lekarzy klinicznych ze Szpitala Kardiologicznego University College London Hospitals (UCLH) – doktorzy Sue Wright, Andrew Smith i Bruce Martin – wyraziło wspólnie frustrację w związku z brakiem realistycznego modelu ludzkiego serca, który mógłby zostać wykorzystany w nauczaniu na temat anatomii tego organu. Wpadli na pomysł stworzenia wirtualnego serca i doszli szybko do wniosku, że jeśli bazowałoby ono na zbiorze danych anatomicznych 3D, to taki model mógłby zostać użyty do generowania symulowanego obrazu ultradźwiękowego. Pomysł ten miał istotne konsekwencje dla szkoleń, jako że mógł być wykorzystany do symulacji przebiegu echokardiografii przezprzełykowej (TOE lub TEE) – badania trudnego do przećwiczenia, ponieważ polega ono na wprowadzeniu wewnętrznej sondy, która ma za zadanie przechwycenie obrazów bijącego serca pacjenta.

Gdy klinicyści ci podzielili się swoim pomysłem z grafikami i artystami z uhonorowanej wieloma nagrodami angielskiej firmy Glassworks, specjalizującej się w produkcji efektów wizualnych, rzeczy zaczęły nabierać kształtów. Celem było stworzenie anatomicznie wiernego, komputerowo generowanego modelu serca, na bazie którego można byłoby od razu generować autentyczną reprezentację ultradźwiękową z uwzględnieniem animacji efektu bicia w czasie rzeczywistym. Miało to na celu zademonstrowanie zmian kształtu serca w trakcie cyklu sercowego i umożliwienie lekarzowi ujrzenia przekrojowych obrazów sceny w celu zdobycia cennej wiedzy diagnostycznej.

ROZWIĄZANIE
Heartworks

Glassworks tworzy wirtualny model serca

Klinicyści oraz pracownicy firmy Glassworks nazwali swój projekt HeartWorks, W pracy nad stworzeniem tego pierwszego w swoim rodzaju narzędzia do szkolenia klinicznego oraz w jego późniejszym praktycznym użytkowaniu zdecydowali się postawić na moc wysokowydajnych obliczeń i wizualizacji oferowaną przez profesjonalne rozwiązania graficzne NVIDIA Quadro.

Mały zespół grafików i programistów Glassworks rozpoczął segregowanie i porównywanie ogromnego zbioru cyfrowych obrazów serca, uczestniczył też w zabiegach chirurgicznych na otwartym sercu w celu obserwacji na żywo bijącego ludzkiego serca. Wright, Smith i Martin pracowali z czołowymi chirurgami, morfologami specjalizującymi się w chorobach serca, radiologami obsługującymi ultrasonografy i innymi ekspertami, aby konsultować z Glassworks przebieg rozpoczętych prac nad systemem.

W celu stworzenia złożonego, realistycznego modelu serca i jego animacji w czasie rzeczywistym, artyści i animatorzy Glassworks posłużyli się oprogramowaniem do animacji Autodesk Softimage 3D pracującym na stacjach roboczych wyposażonych w procesory graficzne (jednostki GPU) NVIDIA Quadro. Te profesjonalne rozwiązania graficzne zapewniły moc przetwarzania niezbędną do renderowania wysokiej jakości obrazów z szybkością 30 klatek na sekundę – utrzymując realizm i płynność animacji.

„Dostęp do technologii wprowadzającej maksymalny realizm i wrażenie obcowania z fizycznie istniejącymi obiektami, dzięki której użytkownicy mają możliwość interakcji z wyświetlanymi na ekranie, trójwymiarowymi obrazami, był dotychczas ograniczony przez aktualny stan rozwoju technologii graficznej, a także przez budżety,” powiedział Hector McLeod, założyciel Glassworks. „Przełom dokonany przez technologię masowo równoległych jednostek GPU NVIDIA zmienił to. Tym, co układ GPU NVIDIA wnosi do HeartWorks, jest możliwość wczytywania i wyświetlania ekstremalnie złożonych modeli oraz renderowania ich z szybkością 30 klatek na sekundę w serii zdarzeń, które same w sobie charakteryzują się dużą złożonością. Wykorzystujemy moc GPU przy badaniu modelu, generowaniu jego przekroju, komentowaniu ujęcia i dwóch wizualizacjach – modelu jako takiego, jak i obrazu ultradźwiękowego – dla każdej klatki wyświetlanego obrazu, a wszystko to odbywa się w czasie krótszym niż 1/30 sekundy.”

David Llewellen, inżynier oprogramowania w Glassworks, dodał „NVIDIA Quadro jest najlepszym profesjonalnym rozwiązaniem graficznym, które z łatwością radzi sobie z niewiarygodnie wielką ilością danych, które przez nie przepuszczamy. Model ten cechuje się wysoką liczbą wielokątów – jest ich 250 tysięcy – a my wykonujemy dwie symulacje plus mamy cały system opisujących anatomię etykiet. W celu lepszej prezentacji graficznej stosujemy także szczegółowe tekstury; większość z wykorzystaniem OpenGL i programów cieniujących w języku GLSL. Aby system HeartWorks pracował w czasie rzeczywistym, potrzebujemy całej tej mocy przetwarzania naraz.”

Glassworks oraz klinicyści ze Szpitala Kardiologicznego UCLH przekształcili system HearWorks w produkt komercyjny przy współpracy z londyńską firmą Inventive Medical Ltd., która integruje, instaluje i zapewnia jego obsługę w szpitalach, laboratoriach i na uniwersytetach. Po dostarczeniu klientom produkt HeartWorks stanowi gotowy do użycia system, na który składa się: oprogramowanie HeartWorks – interaktywny, wirtualny model serca i program do symulacji ultradźwiękowej; wysokowydajna stacja robocza wyposażona w profesjonalną kartę graficzną NVIDIA Quadro; monitor/klawiatura/mysz oraz sonda wraz z manekinem (tors) umożliwiające prowadzenie praktycznego szkolenia z zakresu stosowania procedury TOE/TEE.


EFEKT

HeartWorks w akcji na Uniwersytecie Duke’a

Jednym z pierwszych ośrodków, które zdecydowały się zastosować system HeartWorks, był Uniwerytet Dueka’, a dokładniej Katedra Anestezjologii, Wydział Kardio- i Torakoanestezji oraz Medycyny Intensywnej. Symulator zakupiony został na początku roku 2009 dla potrzeb nauczania rezydentów oraz członków zaawansowanego programu echokardiografii przezprzełykowej. Rezydenci pierwszego, drugiego i trzeciego roku używają go głównie do nauki rozpoznawania podstawowych obrazów echokardiograficznych oraz anatomii, a uczestnicy zaawansowanego programu wykorzystują go w badaniach bardziej subtelnych cech.

„Technologia symulacji pozwoliła nam na wykonanie kwantowego skoku naprzód w nauczaniu,” powiedział dr Madhav Swaminathan (tytuły MD, FASE i FAHA) z Wydziału Kardio- i Torakoanestezji Szkoły Medycyny na Uniwersytecie Duke’a. „Ten szczególny system w gruncie rzeczy po prostu dobrze symuluje bijące serce. Wyjaśnienie tego, w jaki sposób powstaje ultradźwiękowy obraz i jak koreluje on z cechami anatomicznymi jest wyjątkowo trudne. Gdy zmieniasz płaszczyznę skanowania sondy, ciężko jest zrozumieć jakie części serca widzisz aktualnie na ekranie, ponieważ serce jest trójwymiarowe, a Ty masz kontakt z 3D tylko poprzez płaszczyznę przekroju. Symulator pozwala ujrzeć obok siebie nie tylko jak generowany jest ultradźwiękowy obraz, ale także co oznaczają poszczególne cięcia, a odbywa się to w kontrolowanym i bezstresowym środowisku, w którym nie musisz się martwić o ingerowanie w opiekę kliniczną nad pacjentem lub o to, że zabierasz zbyt dużo czasu. Technologia wirtualnego środowiska zapewnia rezydentom błyskawiczny start.”

Dr Swaminathan wyjaśnił dalej, że podstawową zaletą technologii symulacji dla rezydentów i członków programu jest możliwość interakcji w czasie rzeczywistym. „Gdy możesz zobaczyć bijące serce i modyfikujesz aspekty badania, wykonujesz cięcia i manipulujesz nim wedle własnej woli i zestawisz to z koniecznością postępowania zgodnie z oczekiwaniami nauczyciela, to stanowi to znaczny przełom w edukacji na temat diagnostyki ultradźwiękowej.”

W drodze – nowa aplikacja HeartWorks

Na fali sukcesu odniesionego przez symulator TOE/TEE, zespół Szpitala Kardiologicznego UCLH i Glassworks rozpoczął pracę nad kolejnym urządzeniem HeartWorks, TTE, które symuluje tym razem zewnętrzne badanie ultradźwiękowe. Wykorzystuje ono ten sam wirtualny model serca, co oryginalna aplikacja HeartWorks, ale interakcja za pomocą sondy generuje płaszczyznę przekroju przechodząca przez płuca i żebra, które również są wizualizowane.

W pracy nad nową aplikacją TTE firma Glassworks bada możliwość pełniejszego wykorzystania technologii GPU NVIDIA Quadro poprzez napisanie programów cieniujących w języku programowania NVIDIA CUDA w celu uzyskania dodatkowego wzrostu wydajności. „Chcielibyśmy dokonać dalszych optymalizacji, aby system działał szybciej, a rezultaty wyglądały lepiej,” powiedział Llewellyn z firmy Glassworks. „Zrobimy pełen użytek z wszelkich rozwiązań, które wprowadzi NVIDIA w przyszłości.”



 
 
 
 
FacebookTwitterGoogle+Nasza KlasaLinkedIn