基于Quadro图形处理器的实习临床医生心的探索

2006年，伦敦大学学院附属医院心脏病科室的三名临床医生 Sue Wright、Andrew Smith 以及 Bruce Martin 分享心得时一致认为，他们感到沮丧的是，目前还没有逼真的人类心脏模型能够用来讲解心脏解剖学。他们因此萌生了制作虚拟心脏的想法，并很快认识到，如果是基于解剖学三维数据集，这样的模型可用于生成模拟超声波图像。 这个想法对培训产生了重大影响，因为这种模型还可以用来模拟经食管超声心动图检查（TOE或TEE）体验。经食管超声心动图检查操作起来很困难，因为这项检查需要插入一个内部探头来捕捉患者的跳动心脏的图像。

Glassworks是英国的一家动画/视觉特效公司，当这些临床医生找到该公司的创作艺术家团队并谈了自己的想法之后，设计思路便初具模型。其目标是打造一个符合解剖学精确性的计算机生成的心脏模型，该模型可即时生成逼真的超声波图像，呈现出动画效果，因而能够实时显示心跳周期内心脏形状的变化。如此一来，医生便能查看心动图，以得出极富价值的诊断见解。

Glassworks开发虚拟心脏模型

这些临床医生和Glassworks公司将该项目命名为HeartWorks。这个业内首创的临床培训工具的开发和使用，依赖于英伟达Quadro专业图形解决方案提供的高性能计算和可视化能力。

英伟达宣称致力于支持医疗成像和生命科学领域的技术创新。其技术可支持医疗器械提供商开发和销售满足医疗行业在高性能计算（HPC）和视觉化方面的苛刻要求的解决方案。通过其近年来的不懈努力，英伟达取得了一些惊人的进步，并且在一些不同寻常的合作计划中，实现了非凡的技术创新。HeartWorks便是其中一个杰出典范。

Glassworks公司的一小队艺术家和开发人员开始收集大量的数字心脏图像，从参加心脏直视手术到体验人类心脏跳动，他们做了大量工作。 随着开发工作的展开，Wright、Smith以及Martin联手一流的外科医生、心脏形态学家、超声波专家以及其他专家共同与Glassworks商讨这一系统的开发。

为打造出复杂、逼真的心脏模型和实时动画，Glassworks的艺术家和动画师借助了在配备了英伟达Quadro图形处理器（GPU）的工作站上运行的动画软件。这些专业图形解决方案拥有强大的处理能力，能够以每秒30帧的速度渲染高画质图像，确保了动画效果逼真、流畅。

Glassworks公司创始人Hector McLeod表示：“借助令人身临其境的技术，用户可以在屏幕上同三维图像进行互动。然而过去，这种技术一直受限于图形技术的发展水平和成本预算。英伟达并行GPU技术所实现的突破改变了这一现状。在HeartWorks中，英伟达GPU所做的是，在一系列本身就很复杂的事件中，载入和显示极其复杂的模型，并以每秒30帧的速度进行渲染。 在任何一帧中，我们都利用该GPU来检查模型，将模型切分成片，对画面加以注解，并显示两种可视化效果——模型图像和超声波图像。这个过程仅需不到1/30秒。”

Glassworks软件工程师David Llewellen补充道：“英伟达Quadro可以轻松处理我们交给它的大量数据。该模型包含大量的多边形——250,000个，要生成两种模拟效果，并且还有全套的解剖学标签。为了让模型具备出众的图形效果，我们还采用了极其精细的纹理，大部分纹理采用OpenGL并且运行GL Shader语言。 我们需要强大的处理能力来即时满足所有这些要求，这样才能确保HeartWorks提供实时的体验。”

Glassworks与伦敦大学学院附属医院心脏病科室的临床医生通过伦敦的Inventive Medical公司将HeartWorks推广上市。Inventive Medical公司负责为医院、实验室以及大学提供该系统的集成、安装和支持服务。交付到客户手中的HeartWorks产品是一个整包系统，其中包含了HeartWorks软件——互动、虚拟心脏模型和超声波图像模拟程序；配有英伟达Quadro专业显卡的高性能工作站；显示器/键盘/鼠标；以及探头和假人模型的躯干——在讲授TOE/TEE操作步骤时，带给受训人员亲手操作的体验（图1）。

图1 该产品允许利用实物大小的假人模型躯干，对虚拟心脏进行实时模拟TTE成像。该躯干具有柔软的皮肤和精确的、可触摸的解剖标志，以辅助定位手持超声探头。屏幕上显示的图像允许用户识别探头在虚拟胸部上的位置，以及确定超声图像平面的方位。

HeartWorks在美国杜克大学投入使用

美国杜克大学，确切地说，是其医学院心胸麻醉及危重症系的麻醉学专业，是早期采用HeartWorks的用户之一。该院系于2009年初购置了这款模拟器，以供参加其高级经食管超声心动图检查课程的住院医生和研究员教学使用。第一年、第二年和第三年的住院医生均主要使用该产品来学习基本的经食管超声心动图检查视图和解剖学知识，而参加这门高级课程的研究员则利用该产品来检查更加细微的特征。

美国杜克大学医学院心胸麻醉系的Madhav Swaminathan医生是一位医学博士、优秀教职工，同时还是美国心脏学会院士。他表示：“模拟技术让我们得以在教学工作中实现巨大飞跃。这个系统基本上能够清晰地模拟跳动的心脏。要解释清楚超声波图像的形成及其与解剖特点的关联，是困难的。当移动探头，改变图像平面时，很难了解屏幕上看到的是心脏的哪一部分，因为心脏是三维的，而你是在180度平面上显示三维视图。 模拟器让人们能够看到视图的并排对比，你不仅能够看到超声波图像是如何生成的，而且还能够了解到切片意味着什么。所有这些都是在一个尽在掌控的轻松环境下实现的，你既不必担心妨碍患者的临床治疗，也不必担心耗费太长时间。 这种虚拟环境技术能够让住院医生快速上手。”

Swaminathan医生进一步解释道，模拟技术的主要优势是为住院医生和研究员带来实时互动体验。 “与不得不照着老师说的做相比，能够看到心脏跳动并随意更改其图像平面、对其切片和进行操作无疑是互动教育中的一次重大突破。”（图2）如需查看叹为观止的心跳动画逼真模型，敬请登录www.heartworks.me.uk。

图2 心脏模型的三维图像。也可以断层切片或立体三维心跳等模式查看该心脏模型。

继TOE/TEE应用模拟器取得成功之后，伦敦大学学院附属医院心脏病科室与Glassworks团队开始开发另一款HeartWorks设备。这台被称为TTE的设备，能够模拟体外超声波检查体验。与较初的HeartWorks应用一样，该设备利用了同一个虚拟心脏模型，不过，它通过探头实现的互动，则能够生成肺部和肋骨的切片平面，用户也能够看到肺部和肋骨。

在开发新的TTE应用的过程中，Glassworks公司通过采用英伟达统一计算架构（CUDA）编程语言来编写着色器工具以实现更大的性能提升，探索了如何进一步充分利用英伟达的Quadro GPU技术。 Glassworks公司的Llewellyn表示：“我们希望进一步实现优化，以使该产品的运行速度更快、图像效果更佳。无论英伟达接下来会推出哪些开发成果，我们都将充分加以利用。”

展望未来

如今的医疗器械生厂商提供的系统，可以捕获、计算、渲染、显示和存储比过去任何时候都多的大量信息。未来，这个趋势将愈演愈烈。许多创新技术已经或将要改变临床检查的方式。

英伟达所致力于设计的正是这些“新的开发成果”；通过预期挑战并提供解决方案，助力临床医生和医疗器械制造商通过新的途径来应对这些挑战。英伟达CUDA编程语言允许用户通过利用GPU的处理能力来大幅提高计算性能。面向工作站和服务器侧应用的基于英伟达Fermi架构的较新一代Quadro和Tesla GPU，经专门设计，拥有杰出性能，可以大大加快任何医务工作的工作流程，并有可能帮助改善患者的诊疗效果。

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