NVIDIA Quadro讓培訓中的臨床醫師得以探索人類心臟

 
 

UCLH心臟醫院與Glassworks公司聯手創造HeartWorks

在2006年,倫敦大學學院附屬醫院(UCLH)心臟醫院(University College London Hospitals (UCLH) Heart Hospital)的醫師蘇.萊特(Sue Wright)、安德魯.史密斯(Andrew Smith)與布魯斯.馬丁(Bruce Martin)三位博士聚在一起,分享他們因為缺乏可用於心臟解剖教學的人類心臟擬真模型遭遇的挫折。他們提出了創造一個虛擬心臟這個主意,並且很快意識到,如果根據一組三維解剖資料來製作,這樣的模型可以用來產生模擬超音波影像。這個主意對於臨床訓練意義重大,因為它也可以用來模擬經食道超音波心臟圖(簡稱TOE或TEE)這項必須將探頭插入病人體內以擷取跳動的心臟影像,因而難以練習的檢驗。

當這些醫師將他們的想法與隸屬於屢獲殊榮的英國視覺效果公司Glassworks的創意設計團隊分享時,事情開始有了雛形。他們的目標是創造一個有精確解剖構造,由電腦產生的心臟模型,可以即時產生真實情況下的超音波影像,製作心臟跳動的動畫,可以即時呈現在心跳週期內心臟形狀的變化,並使醫生能查看各時段的畫面,獲得有價值的診斷見解。

Glassworks開發虛擬心臟模型

臨床醫師與Glassworks為這個專案命名為HeartWorks,並仰賴NVIDIA Quadro專業繪圖解決方案(NVIDIA Quadro professional graphics solutions)的高效能運算和視覺化能力,以開發並使用這款同類首創的臨床訓練工具。

Glassworks 的一個小型設計與開發人員團隊開始著手整理一組龐大的心臟數位影像,包括參與外科開心手術以現場見識人類心臟的跳動。萊特,史密斯和馬丁結合頂尖的外科醫生,心臟形態學專家、超音波影像專家以及其他專業人員,為Glassworks系統開發初期提供諮詢。

要創造複雜的擬真心臟模型和即時動畫,Glassworks的設計和動畫製作人員使用Autodesk Softimage公司出品的三維動畫軟體,在配備NVIDIA Quadro繪圖處理器(GPU)的工作站上執行。這些專業繪圖解決方案提供了必要的運算效能,以每秒30張畫面的速率呈現高品質畫面—保持動畫畫面逼真與流暢。

「沉浸式技術,使用者可以與螢幕上的三維影像互動,以往曾經受限於繪圖技術發展狀態及預算,」海克特.麥克勞德, Glassworks的創始人說道。「NVIDIA藉由其大量的平行GPU技術突破,已經改變了這一切。
在HeartWorks內,NVIDIA GPU負責載入並呈現極其複雜的模型,並以每秒30張畫面的速率,繪製一系列的複雜狀況。在任何給定的畫面內,我們選擇GPU來檢驗模型、切割畫面、加註意見,並將兩種視覺化效果—心臟模型本身以及超音波影像—在不到1 / 30秒的時間之內呈現出來。

Glassworks 軟體工程師大衛.羅威倫( David Llewellen)補充道,「NVIDIA Quadro是最好的專業繪圖解決方案,透過它可以輕鬆搞定我們塞進去的大量數據。這個心臟模型有大量的多邊形—多達25 萬個,而且我們得同時產生兩個模擬,再加上一個完整的解剖標籤系統。為了讓這個心臟模型在圖形上看起來更棒,我們也有非常精細的紋理;大部分使用 OpenGL並執行GL Shader程式語言。這一切我們都需要即時處理的能力,以確保 HeartWorks能夠提供即時的使用體驗。」

Glassworks 和UCLH心臟醫院的醫師將Heartworks交由倫敦的創造發明醫療設備有限公司(Inventive Medical Ltd.)商品化,他們負責為醫院、實驗室和大學進行系統整合、安裝和客戶支援。交到客戶手上的HeartWorks產品是一個監視系統,包含 HeartWorks軟體—互動式的虛擬心臟模型和超音波影像模擬程式;一部配備了NVIDIA Quadro專業繪圖卡的高性能工作站;一組顯示器 /鍵盤 /滑鼠;以及一個探頭與人體軀幹模型,供TOE/TEE教學過程中親自操作之用。

HeartWorks在杜克大學實際使用

杜克大學(Duke University)是HeartWorks最早的採用者之一;確切說來是杜克大學麻醉科的心臟胸腔麻醉與急重症醫學部。該科於 2009年初購買這個模擬器,用來教導住院醫師與其進階經食道心臟超音波計劃的研究員。第一,第二和第三年的住院醫師主要用它來學習基本的心臟超音波影像觀察和解剖構造,而進階計劃的研究員則利用它來檢驗更精細的特徵。

「模擬技術使我們的教學有了長足的進步,」任職於杜克大學醫學院心臟胸腔麻醉部,同時為美國心臟超音波學會會員(FASE)與美國心臟病學會會員(FAHA)的馬德哈夫.斯瓦米納坦博士暨醫師說道。「這套特殊的系統精確而清楚地模擬跳動的心臟。要解釋超音波影像是如何形成,以及如何與解剖特徵聯結是非常困難的。當你移動探頭改變影像平面時,很難弄清楚你在螢幕上看到的是心臟的哪個部位—因為心臟是立體的,而你得將三維構造投射到180度的平面上。模擬器使我們能夠在掌控中的、輕鬆的環境下,同時看到不僅僅是超音波影像如何產生,還有各切面的意義,不必擔心干擾病人的臨床照護或花費過多時間。這種虛擬環境的技術給住院醫師很大的幫助。」

斯瓦米納坦博士進一步解釋,模擬技術的主要優點在於住院醫師與研究員體驗到的即時互動效果。「當你可以看到心臟跳動、改變觀察角度、切割它,隨意操縱它,相較於被迫以教師要的方式操作而言的確是超音波教學上的重大突破。」

後續發展—新的Heartworks應用

繼 TOE/ TEE應用模擬器的成功之後,UCLH心臟醫院/Glassworks團隊開始開發另一個 HeartWorks設備:TTE,模擬體驗體表超音波檢查。它使用與原本的HeartWorks應用相同的心臟模型,但透過移動探頭產生穿過肺和肋骨的切面影像,也進行互動效果的視覺化。

在新的TTE應用開發過程中,Glassworks正研究進一步發揮NVIDIA Quadro GPU技術的功能,藉由以NVIDIA CUDA程式語言撰寫的著色工具,提供額外的性能提升。「我們樂意做更進一步的最佳化,使得運行速度更快,而且看起來更棒,」Glasswork的羅威倫說道。「我們將充分利用接下來NVIDIA帶來的任何新進展。」