2006年，倫敦大學學院附屬醫院心臟病科室的三名臨床醫生 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據集，這樣的模型可用于生成模擬超聲波圖像。 這個想法對培訓產生了重大影響，因為這種模型還可以用來模擬經食管超聲心動圖檢查（TOE或TEE）體驗。經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，當這些臨床醫生找到該公司的創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，呈現出動畫效果，因而能夠實時顯示心跳周期內心臟形狀的變化。如此一來，醫生便能查看心動圖，以得出極富價值的診斷見解。

Glassworks開發虛擬心臟模型

這些臨床醫生和Glassworks公司將該項目命名為HeartWorks。這個業內首創的臨床培訓工具的開發和使用，依賴于英偉達Quadro專業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療成像和生命科學領域的技術創新。其技術可支持醫療器械提供商開發和銷售滿足醫療行業在高性能計算（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，實現了非凡的技術創新。HeartWorks便是其中一個杰出典范。

Glassworks公司的一小隊藝術家和開發人員開始收集大量的數字心臟圖像，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。 隨著開發工作的展開，Wright、Smith以及Martin聯手一流的外科醫生、心臟形態學家、超聲波專家以及其他專家共同與Glassworks商討這一系統的開發。

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展水平和成本預算。英偉達并行GPU技術所實現的突破改變了這一現狀。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據。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院心臟病科室的臨床醫生通過倫敦的Inventive Medical公司將HeartWorks推廣上市。Inventive Medical公司負責為醫院、實驗室以及大學提供該系統的集成、安裝和支持服務。交付到客戶手中的HeartWorks產品是一個整包系統，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）。

圖1 該產品允許利用實物大小的假人模型軀干，對虛擬心臟進行實時模擬TTE成像。該軀干具有柔軟的皮膚和精確的、可觸摸的解剖標志，以輔助定位手持超聲探頭。屏幕上顯示的圖像允許用戶識別探頭在虛擬胸部上的位置，以及確定超聲圖像平面的方位。

HeartWorks在美國杜克大學投入使用

美國杜克大學，確切地說，是其醫學院心胸麻醉及危重癥系的麻醉學專業，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，以供參加其高級經食管超聲心動圖檢查課程的住院醫生和研究員教學使用。第一年、第二年和第三年的住院醫生均主要使用該產品來學習基本的經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品來檢查更加細微的特征。

美國杜克大學醫學院心胸麻醉系的Madhav Swaminathan醫生是一位醫學博士、優秀教職工，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巨大飛躍。這個系統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，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境下實現的，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。 這種虛擬環境技術能夠讓住院醫生快速上手。”

Swaminathan醫生進一步解釋道，模擬技術的主要優勢是為住院醫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。

圖2 心臟模型的三維圖像。也可以斷層切片或立體三維心跳等模式查看該心臟模型。

繼TOE/TEE應用模擬器取得成功之后，倫敦大學學院附屬醫院心臟病科室與Glassworks團隊開始開發另一款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。與較初的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。

在開發新的TTE應用的過程中，Glassworks公司通過采用英偉達統一計算架構（CUDA）編程語言來編寫著色器工具以實現更大的性能提升，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優化，以使該產品的運行速度更快、圖像效果更佳。無論英偉達接下來會推出哪些開發成果，我們都將充分加以利用。”

展望未來

如今的醫療器械生廠商提供的系統，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。許多創新技術已經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“新的開發成果”；通過預期挑戰并提供解決方案，助力臨床醫生和醫療器械制造商通過新的途徑來應對這些挑戰。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架構的較新一代Quadro和Tesla GPU，經專門設計，擁有杰出性能，可以大大加快任何醫務工作的工作流程，并有可能幫助改善患者的診療效果。

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