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使用智能手机和笔记本电脑模拟致命的心律失常

对导致心律失常的复杂电波进行建模可以为理解和治疗世界上的主要死亡原因提供关键。然而,到目前为止,在数百万个相互作用的心脏细胞中对这些致命波形进行实时建模需要特殊强大的计算机集群 - 甚至是超级计算机。

研究人员使用专为游戏应用而设计的图形处理芯片和在一般 网络扫瞄器上运行的软件,将这种致命的螺旋波心律失常模型转移到成本较低的计算机,甚至是高端智能手机。这可以将实时3D建模交给临床医生,他们可能有一天会使用该系统来诊断和治疗这些异常的心律。

新工具还可以帮助研究人员研究必须评估其可能导致心律失常的新药物。

除了可能需要解决数十亿个方程的心脏问题之外,这些工具还可以应用于其他物理系统,例如流体流动和晶体生长。该研究得到了国家科学基金会和国立卫生研究院的支持,于3月27日在“科学发展”杂志上发表。新的仿真工具依赖于Web图形库(WebGL 2.0),可以在大多数常见的操作系统上运行,而与操作系统无关。

乔治亚理工学院物理学院教授弗拉维奥芬顿说:“世界上惟独少数研究人员可以使用的模型现在可供更多的团体使用。”“这也打开了许多其他研究领域的大门,在这些研究领域,人们可以并行运行方程式。任何人都可以访问这些解决方案,这些解决方案的运行速度比标准CPU快几千倍。“

佐敦科技大学和罗彻斯特理工学院的Fenton和合作者向来在研究有害的心律模式以了解它们 - 并且可能设计出超越现有治疗的操纵策略,这些治疗使用药物,植入装置和组织消融来阻挠心律失常。最终,研究人员设想医生在平板电脑上使用模拟。

“能够在三维空间内进行实时模拟,可以为临床应用打开大门,在这些应用中我们可以实际获得患者的几何形状并在心脏细胞中解决这些方程式,”数学教授Elizabeth Cherry说。罗切斯特理工学院和项目研究人员之一。“我们可以在诊所看到可根据其特定的心脏几何形状个性化治疗的应用。我们实际上可以测试可能的治疗方法,看看每个患者的治疗方法是什么。“

他们所做的工作的关键是图形处理单元(GPU),它们是为帮助计算机显示图形和视频而开辟的。随着计算机游戏行业的进展,它们的开辟和应用已经开始,这需要快速的并行处理。高端智能手机拥有多达900个GPU核心,而笔记本电脑或台式电脑的高端显卡可能拥有5,000多个。每个核心都可以处理仿真数据,提供大规模并行计算系统。

“在过去几年中,GPU已经变得非常强大,”Fenton说。“每个人都有多个处理器,因此您可以像超级计算机一样并行运行问题。必须为每个细胞计算多达40或50个微分方程,我们需要了解数百万个细胞如何相互作用。我很惊讶即使是手机也可能有足够的GPU内核来运行这些模拟。“

利用GPU的能力并不是研究人员所做的全部。GPU的软件因创造商和芯片类型而异。为了让模拟在任何GPU上运行,研究科学家Abouzar Kaboudian开辟了一个多功能编程库,使他和他的合作团队能够开辟Web扫瞄器,如Chrome和Firefox等网络扫瞄器。通过扫瞄器,这些工具可以在各种计算机,平板电脑和手机上运行模拟 - 无需在其上安装任何新程序。

“如果您可以访问互联网和Firefox或Chrome等现代网络扫瞄器,您只需转到网络链接,模拟将开始在您计算机的显卡上运行,”Kaboudian说。“任何可以并行化的问题都可以在我们创建的库上运行。它将使任何计算机上的模拟加速数百次。“

虽然最初的目标是模拟心律失常,但这些工具可用于其他模拟,如化学反应,流体流动,晶体生长和地球物理力。

“摆动力可以缩短石油平台和水下管道等土木工程结构的使用寿命,”Kaboudian说。“要了解这些力,您必须了解结构周围的流体流动以及如何操纵振荡。通过该程序,您可以看到更改的效果,以实时修改您的设计策略。“

研究人员基于他们的WebGL编程开辟了十种不同的模型,并计划将这些工具提供给想要使用它们的其他研究人员。他们正在计划未来的增强功能,例如能够在多个GPU卡上运行模拟以实现更高的计算速度。

Kaboudian表示,虽然高端显卡的成本可能高达数千美元,但即使是那些仅花费数百美元的显卡也可以提供计算能力,这种计算能力只能在通常耗资数十万美元的超级计算机上实现。通过这种方式,与运行大型计算机集群或超级计算机相比,它们可以提供真正的节省。这可以使更多的研究人员可以使用模拟。

“与传统的超级计算机相比,能够在GPU卡上运行这些模拟大大降低了成本,”Cherry指出。“即使是高端手机的GPU也可以运行这些模拟。这将通过将这些模拟转移到研究人员熟悉且能够承受的较小的本地设备上来扩大访问范围。“