Brug af smartphones og bærbare computere til at simulere dødelige hjertearytmier

Modellering af de komplekse elektriske bølger, der forårsager hjertearytmier, kan give nøglen til at forstå og behandle en væsentlig dødsårsag i verden. Indtil nu, imidlertid, Realtidsmodellering af disse dødbringende bølgeformer inden for millioner af interagerende hjerteceller krævede særligt kraftige computerklynger – selv supercomputere.

Brug af grafikprocessorchips designet til spilapplikationer og software, der kører på almindelige webbrowsere, forskere har flyttet denne modellering af den dødelige spiralbølge hjertearytmier til billigere computere, og endda til avancerede smartphones. Det kunne lægge 3D-modelleringen i realtid i hænderne på klinikere, som en dag kan bruge systemet til at diagnosticere og behandle disse unormale hjerterytmer. De nye værktøjer kan også hjælpe forskere med at studere nye lægemidler, der skal evalueres for deres potentiale til at forårsage hjertearytmier.

Ud over hjerteproblemer, som kan kræve at løse milliarder af ligninger, værktøjerne kan også anvendes på andre fysiske systemer, såsom væskeflow og krystalvækst. Forskningen, som er blevet støttet af National Science Foundation og National Institutes of Health, er rapporteret 27. marts i bladet Videnskabens fremskridt . De nye simuleringsværktøjer er afhængige af Web Graphics Library (WebGL 2.0) og kan køre på de fleste almindelige operativsystemer, uafhængigt af operativsystemet.

"Modeller, der måske kun har været tilgængelige for en håndfuld forskere i verden, vil nu være tilgængelige for mange flere grupper, " sagde Flavio Fenton, en professor ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "Dette åbner også døren til mange andre forskningsområder, hvor folk har ligninger, der kan køres parallelt. Alle kan have adgang til disse løsninger, som kører simuleringer så meget som tusindvis af gange hurtigere end standard CPU'er."

Fenton og samarbejdspartnere ved Georgia Tech og Rochester Institute of Technology har studeret skadelige hjerterytmemønstre for at forstå dem - og potentielt for at designe kontrolstrategier, der går ud over eksisterende behandlinger, som bruger stoffer, implanterbare enheder og vævsablation for at standse arytmierne. Ultimativt, forskerne forestiller sig, at læger bruger simuleringerne på tablet-computere.

"At være i stand til at lave realtidssimuleringer i tre dimensioner kunne åbne døren til kliniske applikationer, hvor vi faktisk kunne opnå patientgeometrier og løse disse ligninger i cellerne, der er pakket ind i hjertet, " sagde Elizabeth Cherry, en professor i matematik ved Rochester Institute of Technology og en af ​​projektets forskere. "Vi kunne se applikationer i klinikken, der kunne individualisere behandlinger ud fra deres specifikke hjertegeometrier. Vi kunne faktisk teste mulige behandlingsformer for at se, hvad der ville virke for hver patient."

Nøglen til, hvad de har gjort, er grafikbehandlingsenheder (GPU'er), som blev udviklet til at hjælpe computere med at vise grafik og video. Deres udvikling og anvendelse er nu taget fart med væksten i computerspilindustrien, som kræver hurtig parallel behandling. Avancerede smartphones har så mange som 900 GPU-kerner, mens avancerede grafikkort til bærbare eller stationære computere kan have mere end 5, 000. Hver kerne kan behandle simuleringsdata, leverer et massivt parallelt computersystem.

"I løbet af de sidste mange år, GPU'er er blevet virkelig kraftfulde, " sagde Fenton. "Hver enkelt har flere processorer, så du kan køre problemer parallelt som en supercomputer gør. Så mange som 40 eller 50 differentialligninger skal beregnes for hver celle, og vi skal forstå, hvordan millioner af celler interagerer. Jeg var overrasket over, at selv en mobiltelefon kan have nok GPU-kerner til at køre disse simuleringer."

At udnytte GPU-kraft er ikke alt, hvad forskerne har gjort. Software til GPU'erne varierer efter producent og chiptype. For at tillade simuleringerne at køre på enhver GPU, Forskeren Abouzar Kaboudian udviklede et alsidigt programmeringsbibliotek, der gjorde det muligt for ham og hans team af samarbejdspartnere at udvikle programmer i WebGL, der kører gennem webbrowsere som Chrome og Firefox. Gennem en browser, værktøjerne kan køre simuleringerne på en række forskellige computere, tablets og telefoner – uden behov for at installere nye programmer på dem.

"Hvis du har adgang til internettet og en moderne webbrowser som Firefox eller Chrome, du kan bare gå til et weblink og simuleringen begynder at køre på grafikkortet på din computer, " sagde Kaboudian. "Ethvert problem, der kan paralleliseres, kan køre på det bibliotek, vi har oprettet. Det vil accelerere simuleringer på enhver computer flere hundrede gange."

Mens det oprindelige mål var at simulere hjertearytmier, værktøjerne kan være nyttige med andre simuleringer såsom kemiske reaktioner, væskestrøm, krystalvækst og geofysiske kræfter.

"Oscillerende kræfter kan reducere levetiden af ​​anlægskonstruktioner såsom petroleumsplatforme og undervandsrørledninger, " sagde Kaboudian. "For at forstå disse kræfter, du er nødt til at forstå væskestrømmen rundt i strukturerne, og hvordan man kontrollerer svingningerne. Med dette program, du kan se virkningerne af ændringer for at ændre din designstrategi i realtid."

Forskerne har udviklet ti forskellige modeller baseret på deres WebGL-programmering, og planlægger at gøre værktøjerne tilgængelige for andre forskere, der ønsker at bruge dem. De planlægger fremtidige forbedringer, såsom muligheden for at køre simuleringerne på mere end ét GPU-kort for at opnå endnu højere beregningshastigheder.

Selvom avancerede grafikkort kan koste op til tusindvis af dollars, selv dem, der kun koster et par hundrede dollars, kan levere beregningskraft, der kun ville være mulig på supercomputere, der normalt ville koste flere hundrede tusinde dollars, sagde Kaboudian. På denne måde de kan give reelle besparelser sammenlignet med at betjene store computerklynger eller supercomputere. Og det kunne gøre simuleringer tilgængelige for flere forskere.

"At være i stand til at køre disse simuleringer på GPU-kort sænker i høj grad omkostningerne sammenlignet med en traditionel supercomputer, Cherry bemærkede. "Selv GPU'erne på avancerede mobiltelefoner kan køre disse simuleringer. Det vil udvide adgangen ved at flytte disse simuleringer til mindre lokale enheder, som forskere kender til og har råd til."

Denne forskning blev støttet af National Science Foundations computer- og netværkssystemer under bevillinger CNS-1446675 og CNS-1446312 og af National Institute of Health's National Heart Lung and Blood Institute under bevilling 1R01HL143450-01. Eventuelle meninger, fund, og konklusioner eller anbefalinger udtrykt i dette materiale er forfatternes og afspejler ikke nødvendigvis de sponsorerende bureauers synspunkter.