2006年,，倫敦大學(xué)學(xué)院附屬醫(yī)院心臟病科室的三名臨床醫(yī)生 Sue Wright、Andrew Smith 以及 Bruce Martin 分享心得時(shí)一致認(rèn)為,，他們感到沮喪的是，目前還沒有逼真的人類心臟模型能夠用來(lái)講解心臟解剖學(xué),。他們因此萌生了制作虛擬心臟的想法，并很快認(rèn)識(shí)到,，如果是基于解剖學(xué)三維數(shù)據(jù)集,，這樣的模型可用于生成模擬超聲波圖像。 這個(gè)想法對(duì)培訓(xùn)產(chǎn)生了重大影響,，因?yàn)檫@種模型還可以用來(lái)模擬經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖檢查（TOE或TEE）體驗(yàn),。經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖檢查操作起來(lái)很困難，因?yàn)檫@項(xiàng)檢查需要插入一個(gè)內(nèi)部探頭來(lái)捕捉患者的跳動(dòng)心臟的圖像,。

Glassworks是英國(guó)的一家動(dòng)畫/視覺特效公司,，當(dāng)這些臨床醫(yī)生找到該公司的創(chuàng)作藝術(shù)家團(tuán)隊(duì)并談了自己的想法之后，設(shè)計(jì)思路便初具模型,。其目標(biāo)是打造一個(gè)符合解剖學(xué)精確性的計(jì)算機(jī)生成的心臟模型,，該模型可即時(shí)生成逼真的超聲波圖像，呈現(xiàn)出動(dòng)畫效果,，因而能夠?qū)崟r(shí)顯示心跳周期內(nèi)心臟形狀的變化,。如此一來(lái)，醫(yī)生便能查看心動(dòng)圖,，以得出極富價(jià)值的診斷見解,。

Glassworks開發(fā)虛擬心臟模型

這些臨床醫(yī)生和Glassworks公司將該項(xiàng)目命名為HeartWorks。這個(gè)業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的臨床培訓(xùn)工具的開發(fā)和使用,，依賴于英偉達(dá)Quadro專業(yè)圖形解決方案提供的高性能計(jì)算和可視化能力,。

英偉達(dá)宣稱致力于支持醫(yī)療成像和生命科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。其技術(shù)可支持醫(yī)療器械提供商開發(fā)和銷售滿足醫(yī)療行業(yè)在高性能計(jì)算（HPC）和視覺化方面的苛刻要求的解決方案,。通過(guò)其近年來(lái)的不懈努力,，英偉達(dá)取得了一些驚人的進(jìn)步，并且在一些不同尋常的合作計(jì)劃中,，實(shí)現(xiàn)了非凡的技術(shù)創(chuàng)新,。HeartWorks便是其中一個(gè)杰出典范。

Glassworks公司的一小隊(duì)藝術(shù)家和開發(fā)人員開始收集大量的數(shù)字心臟圖像,，從參加心臟直視手術(shù)到體驗(yàn)人類心臟跳動(dòng),，他們做了大量工作。 隨著開發(fā)工作的展開,，Wright,、Smith以及Martin聯(lián)手一流的外科醫(yī)生、心臟形態(tài)學(xué)家,、超聲波專家以及其他專家共同與Glassworks商討這一系統(tǒng)的開發(fā),。

為打造出復(fù)雜,、逼真的心臟模型和實(shí)時(shí)動(dòng)畫，Glassworks的藝術(shù)家和動(dòng)畫師借助了在配備了英偉達(dá)Quadro圖形處理器（GPU）的工作站上運(yùn)行的動(dòng)畫軟件,。這些專業(yè)圖形解決方案擁有強(qiáng)大的處理能力,，能夠以每秒30幀的速度渲染高畫質(zhì)圖像,，確保了動(dòng)畫效果逼真,、流暢。

Glassworks公司創(chuàng)始人Hector McLeod表示：“借助令人身臨其境的技術(shù),，用戶可以在屏幕上同三維圖像進(jìn)行互動(dòng),。然而過(guò)去，這種技術(shù)一直受限于圖形技術(shù)的發(fā)展水平和成本預(yù)算,。英偉達(dá)并行GPU技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的突破改變了這一現(xiàn)狀,。在HeartWorks中，英偉達(dá)GPU所做的是,，在一系列本身就很復(fù)雜的事件中,，載入和顯示極其復(fù)雜的模型，并以每秒30幀的速度進(jìn)行渲染,。 在任何一幀中,，我們都利用該GPU來(lái)檢查模型，將模型切分成片,，對(duì)畫面加以注解,，并顯示兩種可視化效果——模型圖像和超聲波圖像。這個(gè)過(guò)程僅需不到1/30秒,。”

Glassworks軟件工程師David Llewellen補(bǔ)充道：“英偉達(dá)Quadro可以輕松處理我們交給它的大量數(shù)據(jù),。該模型包含大量的多邊形——250,000個(gè)，要生成兩種模擬效果,，并且還有全套的解剖學(xué)標(biāo)簽,。為了讓模型具備出眾的圖形效果，我們還采用了極其精細(xì)的紋理,，大部分紋理采用OpenGL并且運(yùn)行GL Shader語(yǔ)言,。 我們需要強(qiáng)大的處理能力來(lái)即時(shí)滿足所有這些要求，這樣才能確保HeartWorks提供實(shí)時(shí)的體驗(yàn),。”

Glassworks與倫敦大學(xué)學(xué)院附屬醫(yī)院心臟病科室的臨床醫(yī)生通過(guò)倫敦的Inventive Medical公司將HeartWorks推廣上市,。Inventive Medical公司負(fù)責(zé)為醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室以及大學(xué)提供該系統(tǒng)的集成,、安裝和支持服務(wù),。交付到客戶手中的HeartWorks產(chǎn)品是一個(gè)整包系統(tǒng)，其中包含了HeartWorks軟件——互動(dòng),、虛擬心臟模型和超聲波圖像模擬程序,；配有英偉達(dá)Quadro專業(yè)顯卡的高性能工作站,；顯示器/鍵盤/鼠標(biāo)；以及探頭和假人模型的軀干——在講授TOE/TEE操作步驟時(shí),，帶給受訓(xùn)人員親手操作的體驗(yàn)（圖1）,。

HeartWorks在美國(guó)杜克大學(xué)投入使用

美國(guó)杜克大學(xué),，確切地說(shuō),，是其醫(yī)學(xué)院心胸麻醉及危重癥系的麻醉學(xué)專業(yè)，是早期采用HeartWorks的用戶之一,。該院系于2009年初購(gòu)置了這款模擬器,，以供參加其高級(jí)經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖檢查課程的住院醫(yī)生和研究員教學(xué)使用。第一年,、第二年和第三年的住院醫(yī)生均主要使用該產(chǎn)品來(lái)學(xué)習(xí)基本的經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖檢查視圖和解剖學(xué)知識(shí),，而參加這門高級(jí)課程的研究員則利用該產(chǎn)品來(lái)檢查更加細(xì)微的特征。

美國(guó)杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院心胸麻醉系的Madhav Swaminathan醫(yī)生是一位醫(yī)學(xué)博士,、優(yōu)秀教職工,，同時(shí)還是美國(guó)心臟學(xué)會(huì)院士。他表示：“模擬技術(shù)讓我們得以在教學(xué)工作中實(shí)現(xiàn)巨大飛躍,。這個(gè)系統(tǒng)基本上能夠清晰地模擬跳動(dòng)的心臟,。要解釋清楚超聲波圖像的形成及其與解剖特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，是困難的,。當(dāng)移動(dòng)探頭,，改變圖像平面時(shí)，很難了解屏幕上看到的是心臟的哪一部分,，因?yàn)樾呐K是三維的,，而你是在180度平面上顯示三維視圖。 模擬器讓人們能夠看到視圖的并排對(duì)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么。所有這些都是在一個(gè)盡在掌控的輕松環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的,，你既不必?fù)?dān)心妨礙患者的臨床治療,，也不必?fù)?dān)心耗費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間。 這種虛擬環(huán)境技術(shù)能夠讓住院醫(yī)生快速上手,。”

Swaminathan醫(yī)生進(jìn)一步解釋道,，模擬技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是為住院醫(yī)生和研究員帶來(lái)實(shí)時(shí)互動(dòng)體驗(yàn),。 “與不得不照著老師說(shuō)的做相比，能夠看到心臟跳動(dòng)并隨意更改其圖像平面,、對(duì)其切片和進(jìn)行操作無(wú)疑是互動(dòng)教育中的一次重大突破,。”（圖2）如需查看嘆為觀止的心跳動(dòng)畫逼真模型，敬請(qǐng)登錄www.heartworks.me.uk,。

繼TOE/TEE應(yīng)用模擬器取得成功之后,，倫敦大學(xué)學(xué)院附屬醫(yī)院心臟病科室與Glassworks團(tuán)隊(duì)開始開發(fā)另一款HeartWorks設(shè)備,。這臺(tái)被稱為TTE的設(shè)備,，能夠模擬體外超聲波檢查體驗(yàn),。與最初的HeartWorks應(yīng)用一樣，該設(shè)備利用了同一個(gè)虛擬心臟模型,，不過(guò),，它通過(guò)探頭實(shí)現(xiàn)的互動(dòng)，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,。

在開發(fā)新的TTE應(yīng)用的過(guò)程中，Glassworks公司通過(guò)采用英偉達(dá)統(tǒng)一計(jì)算架構(gòu)（CUDA）編程語(yǔ)言來(lái)編寫著色器工具以實(shí)現(xiàn)更大的性能提升,，探索了如何進(jìn)一步充分利用英偉達(dá)的Quadro GPU技術(shù),。 Glassworks公司的Llewellyn表示：“我們希望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，以使該產(chǎn)品的運(yùn)行速度更快,、圖像效果更佳,。無(wú)論英偉達(dá)接下來(lái)會(huì)推出哪些開發(fā)成果，我們都將充分加以利用,。”

展望未來(lái)

如今的醫(yī)療器械生廠商提供的系統(tǒng),，可以捕獲、計(jì)算,、渲染,、顯示和存儲(chǔ)比過(guò)去任何時(shí)候都多的大量信息。未來(lái),，這個(gè)趨勢(shì)將愈演愈烈,。許多創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)或?qū)⒁淖兣R床檢查的方式。

英偉達(dá)所致力于設(shè)計(jì)的正是這些“新的開發(fā)成果”,；通過(guò)預(yù)期挑戰(zhàn)并提供解決方案,，助力臨床醫(yī)生和醫(yī)療器械制造商通過(guò)新的途徑來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。英偉達(dá)CUDA編程語(yǔ)言允許用戶通過(guò)利用GPU的處理能力來(lái)大幅提高計(jì)算性能,。面向工作站和服務(wù)器側(cè)應(yīng)用的基于英偉達(dá)Fermi架構(gòu)的最新一代Quadro和Tesla GPU,，經(jīng)專門設(shè)計(jì),，擁有杰出性能，可以大大加快任何醫(yī)務(wù)工作的工作流程,，并有可能幫助改善患者的診療效果,。