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(méi)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(jué)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(jiàn)解。

Glassworks開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)和銷售滿足醫(yī)療行業(yè)在高性能計(jì)算（HPC）和視覺(jué)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(kāi)發(fā)人員開(kāi)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(kāi)發(fā)工作的展開(kāi)，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(kāi)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(kāi)始開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。