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,，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講解心臟解剖學,。他們因此萌生了制作虛擬心臟的想法，并很快認識到,，如果是基于解剖學三維數(shù)據(jù)集,，這樣的模型可用于生成模擬超聲波圖像。 這個想法對培訓產(chǎn)生了重大影響,，因為這種模型還可以用來模擬經(jīng)食管超聲心動圖檢查（TOE或TEE）體驗,。經(jīng)食管超聲心動圖檢查操作起來很困難，因為這項檢查需要插入一個內(nèi)部探頭來捕捉患者的跳動心臟的圖像,。

Glassworks是英國的一家動畫/視覺特效公司,，當這些臨床醫(yī)生找到該公司的創(chuàng)作藝術家團隊并談了自己的想法之后，設計思路便初具模型。其目標是打造一個符合解剖學精確性的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，因而能夠實時顯示心跳周期內(nèi)心臟形狀的變化,。如此一來,，醫(yī)生便能查看心動圖，以得出極富價值的診斷見解,。

Glassworks開發(fā)虛擬心臟模型

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

英偉達宣稱致力于支持醫(yī)療成像和生命科學領域的技術創(chuàng)新。其技術可支持醫(yī)療器械提供商開發(fā)和銷售滿足醫(yī)療行業(yè)在高性能計算（HPC）和視覺化方面的苛刻要求的解決方案,。通過其近年來的不懈努力,，英偉達取得了一些驚人的進步，并且在一些不同尋常的合作計劃中,，實現(xiàn)了非凡的技術創(chuàng)新,。HeartWorks便是其中一個杰出典范。

Glassworks公司的一小隊藝術家和開發(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的藝術家和動畫師借助了在配備了英偉達Quadro圖形處理器（GPU）的工作站上運行的動畫軟件,。這些專業(yè)圖形解決方案擁有強大的處理能力，能夠以每秒30幀的速度渲染高畫質圖像,，確保了動畫效果逼真,、流暢。

Glassworks公司創(chuàng)始人Hector McLeod表示：“借助令人身臨其境的技術,，用戶可以在屏幕上同三維圖像進行互動,。然而過去，這種技術一直受限于圖形技術的發(fā)展水平和成本預算,。英偉達并行GPU技術所實現(xiàn)的突破改變了這一現(xiàn)狀,。在HeartWorks中，英偉達GPU所做的是,，在一系列本身就很復雜的事件中,，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,，我們都利用該GPU來檢查模型,，將模型切分成片，對畫面加以注解,，并顯示兩種可視化效果——模型圖像和超聲波圖像,。這個過程僅需不到1/30秒。”

Glassworks軟件工程師David Llewellen補充道：“英偉達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,，要生成兩種模擬效果，并且還有全套的解剖學標簽,。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)生通過倫敦的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該系統(tǒng)的集成、安裝和支持服務,。交付到客戶手中的HeartWorks產(chǎn)品是一個整包系統(tǒng),，其中包含了HeartWorks軟件——互動、虛擬心臟模型和超聲波圖像模擬程序,；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,，帶給受訓人員親手操作的體驗（圖1）,。

HeartWorks在美國杜克大學投入使用

美國杜克大學,，確切地說,，是其醫(yī)學院心胸麻醉及危重癥系的麻醉學專業(yè)，是早期采用HeartWorks的用戶之一。該院系于2009年初購置了這款模擬器,，以供參加其高級經(jīng)食管超聲心動圖檢查課程的住院醫(yī)生和研究員教學使用,。第一年、第二年和第三年的住院醫(yī)生均主要使用該產(chǎn)品來學習基本的經(jīng)食管超聲心動圖檢查視圖和解剖學知識,，而參加這門高級課程的研究員則利用該產(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：“模擬技術讓我們得以在教學工作中實現(xiàn)巨大飛躍。這個系統(tǒng)基本上能夠清晰地模擬跳動的心臟,。要解釋清楚超聲波圖像的形成及其與解剖特點的關聯(lián),，是困難的。當移動探頭,，改變圖像平面時，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度平面上顯示三維視圖。 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,，你既不必擔心妨礙患者的臨床治療,，也不必擔心耗費太長時間。 這種虛擬環(huán)境技術能夠讓住院醫(yī)生快速上手,。”

Swaminathan醫(yī)生進一步解釋道,，模擬技術的主要優(yōu)勢是為住院醫(yī)生和研究員帶來實時互動體驗。 “與不得不照著老師說的做相比,，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。”（圖2）如需查看嘆為觀止的心跳動畫逼真模型,，敬請登錄www.heartworks.me.uk,。

繼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。這臺被稱為TTE的設備,，能夠模擬體外超聲波檢查體驗,。與最初的HeartWorks應用一樣，該設備利用了同一個虛擬心臟模型，不過,，它通過探頭實現(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,。

在開發(fā)新的TTE應用的過程中,，Glassworks公司通過采用英偉達統(tǒng)一計算架構（CUDA）編程語言來編寫著色器工具以實現(xiàn)更大的性能提升，探索了如何進一步充分利用英偉達的Quadro GPU技術,。 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)品的運行速度更快、圖像效果更佳,。無論英偉達接下來會推出哪些開發(fā)成果,，我們都將充分加以利用。”

展望未來

如今的醫(yī)療器械生廠商提供的系統(tǒng),，可以捕獲,、計算、渲染,、顯示和存儲比過去任何時候都多的大量信息,。未來，這個趨勢將愈演愈烈,。許多創(chuàng)新技術已經(jīng)或將要改變臨床檢查的方式,。

英偉達所致力于設計的正是這些“新的開發(fā)成果”；通過預期挑戰(zhàn)并提供解決方案,，助力臨床醫(yī)生和醫(yī)療器械制造商通過新的途徑來應對這些挑戰(zhàn),。英偉達CUDA編程語言允許用戶通過利用GPU的處理能力來大幅提高計算性能。面向工作站和服務器側應用的基于英偉達Fermi架構的最新一代Quadro和Tesla GPU,，經(jīng)專門設計,，擁有杰出性能，可以大大加快任何醫(yī)務工作的工作流程,，并有可能幫助改善患者的診療效果,。