英偉達Quadro讓醫(yī)生能夠探索人類心臟
挑戰(zhàn)：
2006年，倫敦大學學院附屬醫(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。 他們因此萌生了制作虛擬心臟的想法。如果能夠基于解剖學3D數(shù)據(jù)集，正如我們能夠用此類模型生成模擬的超聲波圖像一樣，那么這一想法就能夠快速成為現(xiàn)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(jīng)食道超聲波心動描記（TOE或TEE）體驗。經(jīng)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(nèi)部探頭來捕捉其圖像。
Glassworks是一家總部位于英國屢獲殊榮的視覺特效公司，這些臨床醫(yī)生找到該公司的創(chuàng)作藝術(shù)家團隊并談了自己的想法之后，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(xiàn)出動畫效果，因而能夠?qū)崟r展示心跳周期內(nèi)心臟形狀的變化。如此一來，醫(yī)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(fā)虛擬心臟模型
這些臨床醫(yī)生和Glassworks公司將該項目命名為HeartWorks，在開發(fā)和應用這一業(yè)內(nèi)創(chuàng)新臨床培訓工具的過程中，該項目依賴的是英偉達Quadro專業(yè)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(shù)家與開發(fā)人員開始收集大量的心臟數(shù)碼圖像，從參加心臟直視手術(shù)到體驗人類心臟跳動，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)。
為打造出復雜、逼真的心臟模型和實時動畫，Glassworks的藝術(shù)家和動畫師采用了Autodesk Softimage 3D動畫軟件，而所使用的硬件則為配備英偉達Quadro圖形處理器（GPU）的工作站。 這些專業(yè)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(zhì)圖像。如此一來，便保證了動畫的逼真度和流暢度。
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3D圖像進行互動。然而過去，這種技術(shù)一直受限于圖形技術(shù)的發(fā)展水平和預算。 “英偉達并行GPU技術(shù)所實現(xiàn)的突破改變了這一現(xiàn)狀。
在HeartWorks中，英偉達GPU所做的是，在一系列本身很復雜的事件中，載入和顯示極其復雜的模型并以每秒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，對畫面進行注解并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?！?/P>
Glassworks軟件工程師David Llewellen補充道：“英偉達Quadro是非常好的的專業(yè)圖形解決方案，該解決方案可輕松處理我們交給它的大量數(shù)據(jù)。 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的紋理，大部分紋理采用OpenGL并且運行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(yī)院心臟病科室的臨床醫(yī)生通過倫敦Inventive Medical公司將HeartWorks推廣上市。Inventive Medical公司負責為醫(yī)院、實驗室以及大學提供集成、安裝和支持該系統(tǒng)的服務。 交付到客戶手中時，HeartWorks產(chǎn)品是一種可即刻投入使用的系統(tǒng)，其中包含了HeartWorks軟件。該產(chǎn)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(yè)顯卡的高性能工作站、顯示器/鍵盤/鼠標以及探頭和假人模型的軀干。在講授TOE/TEE操作步驟時，該產(chǎn)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采用HeartWorks的用戶之一。具體一點講，是醫(yī)學院心胸麻醉及危重癥系的麻醉學專業(yè)。 該院系于2009年初購置了這款模擬器，為住院醫(yī)生和研究員講授高級的經(jīng)食道超聲波心動描記課程。 住院醫(yī)生在第一年、第二年以及第三年均主要使用該產(chǎn)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(chǎn)品來檢查更加細微的特征。
美國杜克大學醫(yī)學院心胸麻醉系的Madhav Swaminathan醫(yī)生是一位醫(yī)學博士、優(yōu)秀教職工，同時還是美國心臟學會院士。他表示：“模擬技術(shù)讓我們能夠在教學工作中實現(xiàn)巨大飛躍。 “這款系統(tǒng)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(guān)聯(lián)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并排對比，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么。所有這些都是在一個盡在掌控的輕松環(huán)境下實現(xiàn)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(huán)境技術(shù)為住院醫(yī)生帶來了全新的突破?！?/P>
Swaminathan醫(yī)生進一步解釋了模擬技術(shù)的主要優(yōu)勢，即能夠為住院醫(yī)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，能夠看到心臟跳動并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后，倫敦大學學院附屬醫(yī)院心臟病科室與Glassworks團隊開始開發(fā)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(xiàn)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(fā)過程中，通過利用英偉達?（NVIDIA®）CUDA編程語言來編寫著色器工具以實現(xiàn)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(shù)。 Glassworks公司的Llewellyn表示：“我們希望進一步實現(xiàn)優(yōu)化，以使該產(chǎn)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(fā)成果，我們都將對其進行充分利用。”
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