英伟达Quadro让医生能够探索人类心脏

挑战：

    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，令三人感到沮丧的是，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。如果能够基于解剖学3D数据集，正如我们能够用此类模型生成模拟的超声波图像一样，那么这一想法就能够快速成为现实。 对培训而言，这一想法具有重大的意义，因为此类模型还可以用来模拟经食道超声波心动描记（TOE或TEE）体验。经食道超声波心动描记是一项很难实施的检查，因为针对病人跳动的心脏，该项检查需要插入一个内部探头来捕捉其图像。

    Glassworks是一家总部位于英国屡获殊荣的视觉特效公司，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。 目标是打造一个符合解剖学精确性且由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，因而能够实时展示心跳周期内心脏形状的变化。如此一来，医生便能够查看心脏跳动的每一幅场景，以得出极富价值的诊断见解。

解决方案：

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，在开发和应用这一业内创新临床培训工具的过程中，该项目依赖的是英伟达Quadro专业图形解决方案的高性能计算和可视化能力。

    Glassworks公司的一小队艺术家与开发人员开始收集大量的心脏数码图像，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的艺术家和动画师采用了Autodesk Softimage 3D动画软件，而所使用的硬件则为配备英伟达Quadro图形处理器（GPU）的工作站。 这些专业图形解决方案可提供足够的处理能力，让人们能够以每秒30帧的速度渲染高画质图像。如此一来，便保证了动画的逼真度和流畅度。

    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3D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GPU来检查模型，将模型切分成片，对画面进行注解并显示两种可视化效果——模型视图以及超声波视图。这一过程用时不到1/30秒。”

    Glassworks软件工程师David Llewellen补充道：“英伟达Quadro是非常好的的专业图形解决方案，该解决方案可轻松处理我们交给它的大量数据。 该模型拥有大量的多边形 —— 250,000个。我们将生成两种模拟效果，而且还要生成全套的解剖学标签。 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集成、安装和支持该系统的服务。 交付到客户手中时，HeartWorks产品是一种可即刻投入使用的系统，其中包含了HeartWorks软件。该产品包括互动、虚拟心脏模型与超声波的模拟程序、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，该产品让受训人员能够获得亲身体验。 

影响：

HeartWorks在美国杜克大学投入使用

    美国杜克大学是早期采用HeartWorks的用户之一。具体一点讲，是医学院心胸麻醉及危重症系的麻醉学专业。 该院系于2009年初购置了这款模拟器，为住院医生和研究员讲授高级的经食道超声波心动描记课程。 住院医生在第一年、第二年以及第三年均主要使用该产品来学习基本的超声波心动描记观点和解剖学，学习高级课程的研究员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：“模拟技术让我们能够在教学工作中实现巨大飞跃。 “这款系统基本上能够清晰地模拟跳动的心脏。 超声波图像是如何形成以及如何与解剖特点相关联的呢？想要解释这一点是非常困难的。 当你利用探头更改图像平面时，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度平面上运用3D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，你既不必担心妨碍病人的临床治疗，也不必担心耗费太长时间。 这种虚拟环境技术为住院医生带来了全新的突破。”

    Swaminathan医生进一步解释了模拟技术的主要优势，即能够为住院医生和研究员带来实时互动体验。 “与不得不按照老师的想法行事相比，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。”

接下来推出一种全新的HeartWorks应用

    在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。该设备叫做TTE，能够模拟外部超声波检查体验。 与最初的HeartWorks应用一样，该设备利用同一种虚拟心脏模型，然而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TTE应用的开发过程中，通过利用英伟达?（NVIDIA®）CUDA编程语言来编写着色器工具以实现更大的性能提升，Glassworks公司正在探索如何进一步利用英伟达Quadro GPU技术。 Glassworks公司的Llewellyn表示：“我们希望进一步实现优化，以使该产品运行得更快、图像效果更佳。 无论英伟达接下来推出哪些开发成果，我们都将对其进行充分利用。”