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 分享心得時一致認(rèn)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(xué)。他們因此萌生了制作虛擬心臟的想法，并很快認(rèn)識到，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。 這個想法對培訓(xùn)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(dāng)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(shè)計思路便初具模型。其目標(biāo)是打造一個符合解剖學(xué)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?qū)崟r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(xùn)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(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(shù)創(chuàng)新。HeartWorks便是其中一個杰出典范。

Glassworks公司的一小隊藝術(shù)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(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(xué)家、超聲波專家以及其他專家共同與Glassworks商討這一系統(tǒng)的開發(fā)。

為打造出復(fù)雜、逼真的心臟模型和實時動畫，Glassworks的藝術(shù)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(zhì)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(shù)，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(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(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(xué)學(xué)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(fù)責(zé)為醫(yī)院、實驗室以及大學(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(biāo)；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(xùn)人員親手操作的體驗（圖1）。

HeartWorks在美國杜克大學(xué)投入使用

美國杜克大學(xué)，確切地說，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(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)品來學(xué)習(xí)基本的經(jīng)食管超聲心動圖檢查視圖和解剖學(xué)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(xì)微的特征。

美國杜克大學(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，同時還是美國心臟學(xué)會院士。他表示：“模擬技術(shù)讓我們得以在教學(xué)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(guān)聯(lián)，是困難的。當(dāng)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?fù)?dān)心妨礙患者的臨床治療，也不必?fù)?dān)心耗費太長時間。 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)生進一步解釋道，模擬技術(shù)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(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團隊開始開發(fā)另一款HeartWorks設(shè)備。這臺被稱為TTE的設(shè)備，能夠模擬體外超聲波檢查體驗。與最初的HeartWorks應(yīng)用一樣，該設(shè)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(yīng)用的過程中，Glassworks公司通過采用英偉達統(tǒng)一計算架構(gòu)（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(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(shù)已經(jīng)或?qū)⒁淖兣R床檢查的方式。

英偉達所致力于設(shè)計的正是這些“新的開發(fā)成果”；通過預(yù)期挑戰(zhàn)并提供解決方案，助力臨床醫(yī)生和醫(yī)療器械制造商通過新的途徑來應(yīng)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(wù)器側(cè)應(yīng)用的基于英偉達Fermi架構(gòu)的最新一代Quadro和Tesla GPU，經(jīng)專門設(shè)計，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。