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NVIDIA Quadro offre agli specializzandi la possibilità di esplorare il cuore umano

 
 

Lo UCLH Heart Hospital collabora con Glassworks alla creazione di HeartWorks.

SFIDA
Heartworks

In 2006, tre clinici dello University College London Hospitals (UCLH) Heart Hospital, Sue Wright, Andrew Smith e Bruce Martin, hanno deciso di provvedere alla mancanza di un modello realistico di cuore umano da usare durante le lezioni di anatomia cardiaca. Hanno avuto l’idea di creare un cuore virtuale e hanno ben presto capito che, se fosse stato basato su una serie di dati anatomici tridimensionali, un modello simile avrebbe potuto essere utilizzato per generare un’immagine ultrasonica simulata. L’idea aveva implicazioni significative per la formazione degli specializzandi, dato che avrebbe potuto essere utilizzata anche per simulare l’esperienza dell’ecocardiografia transesofagea (ETE), un esame clinico su cui è difficile esercitarsi, dato che si fonda sull’inserimento di una sonda utilizzata per catturare immagini del cuore battente di un paziente.

Quando questi clinici hanno condiviso la propria idea con il team di artisti creativi di Glassworks, una società produttrice di effetti speciali di grande successo con sede nel Regno unito, le cose hanno iniziato a prendere forma. L’obiettivo è diventato la realizzazione di un modello cardiaco anatomicamente accurato e generato dal computer che potesse produrre istantaneamente un’autentica rappresentazione ultrasonica ed essere animato in modo da offrire un battito in tempo reale in grado di mostrare i cambiamenti nella forma del cuore che avvengono durante il ciclo cardiaco. Inoltre, questo modello avrebbe dovuto permettere ai medici di visualizzare porzioni specifiche dell’ambiente cardiaco da cui ricavare utili informazioni diagnostiche.

SOLUZIONE
Heartworks

Glassworks sviluppa il modello del cuore virtuale

I clinici e Glassworks hanno deciso di chiamare il progetto HeartWorks, e di affidarsi al computing a elevate prestazioni e alla potenza di visualizzazione delle soluzioni di grafica professionale NVIDIA Quadro nelle fasi di sviluppo e utilizzo di questo pionieristico strumento di formazione medica.

Un piccolo team di artisti e sviluppatori di Glassworks ha iniziato a raccogliere una vasta serie di immagini digitali del cuore umano, arrivando a partecipare a operazioni chirurgiche a cuore aperto per vedere dal vivo il cuore e il suo battito. Wright, Smith e Martin hanno collaborato con eminenti chirurghi, cardio-morfologi, specialisti in ultrasonografia e altri esperti per offrire a Glassworks le consulenze mediche necessarie durante le prime fasi di sviluppo del sistema.

Per creare il complesso modello cardiaco realistico e le animazioni in tempo reale, artisti e animatori di Glassworks hanno utilizzato il software di animazione Autodesk Softimage 3D eseguito su workstation dotate di unità di elaborazione grafica (GPU) NVIDIA Quadro. Queste soluzioni di grafica professionale hanno fornito la potenza di elaborazione necessaria al rendering di immagini di alta qualità a 30 frame al secondo, in modo da mantenere realistiche e fluide le animazioni.

“Le tecnologie immersive in grado di permettere agli utenti di interagire con immagini 3D su uno schermo, storicamente sono sempre state frenate dallo stato della tecnologia grafica e da limiti di budget”, ha dichiarato Hector McLeod, fondatore di Glassworks. “La rivoluzionaria tecnologia di GPU Computing NVIDIA ha cambiato tutto.
Il compito delle GPU NVIDIA in HeartWorks è il caricamento e la visualizzazione di modelli estremamente complicati e il loro rendering a 30 frame al secondo, nel contesto di una serie di eventi che sono essi stessi complessi. In ogni specifico frame si sfrutta la GPU per esaminare il modello, sezionarlo, annotare le viste e mostrare le due visualizzazioni – il modello e gli ultrasuoni -- in meno di un trentesimo di secondo.

Il software engineer di Glassworks David Llewellen ha aggiunto: “NVIDIA Quadro è la migliore soluzione grafica professionale ed in grado di gestire facilmente la smisurata quantità di dati che le forniamo. Il modello si basa su un numero piuttosto alto di poligoni (250.000), in più si deve tenere conto dell’esigenza di generare due simulazioni, corredate da un intero sistema di etichette anatomiche. Per fare in modo che il modello abbia una veste grafica all’altezza dei tempi lo abbiamo anche dotato di texture riccamente dettagliate. La maggior parte utilizza OpenGL ed esegue il linguaggio GL Shader. Abbiamo inoltre bisogno di disporre di tutta la potenza di elaborazione simultaneamente perché HeartWorks deve fornire risultati in tempo reale.”

Glassworks e i clinici dello UCLH Heart Hospital hanno commercializzato HeartWorks tramite la Inventive Medical Ltd. di Londra, un’azienda che offre servizi di integrazione, installazione e supporto del sistema a ospedali, laboratori e università. Quando viene consegnato ai clienti, HeartWorks è un sistema immediatamente pronto all’uso che include il software HeartWorks, il modello interattivo del cuore virtuale e il programma di simulazione delle analisi a ultrasuoni, una workstation ad alte prestazioni che monta una scheda grafica professionale NVIDIA Quadro, monitor, tastiera e mouse, nonché una sonda e una riproduzione di un torso umano per permettere vere esercitazioni pratiche e lezioni sulle procedure ETE.


IMPATTO

HeartWorks in azione alla Duke University

Una delle prime istituzioni ad adottare HeartWorks è stata la Duke University. Nello specifico, la soluzione è stata implementata nel dipartimento di anestesiologia, nella divisione di anestesia cardiotoracica e nel reparto di cure intensive. Il dipartimento ha acquistato il simulatore nei primi mesi del 2009 destinato alla formazione degli specializzandi e degli strutturati sul programma avanzato di ecocardiografia transesofagea. Gli specializzandi del primo, secondo e terzo anno lo usano principalmente per la formazione sulle visualizzazione base di ecocardiografia e anatomia, mentre gli strutturati del programma avanzato ne utilizzano le funzioni più innovative e specialistiche.

“La tecnologia di simulazione ci ha permesso di fare un enorme passo avanti nelle tecniche di insegnamento”, ha dichiarato il dott. Madhav Swaminathan, MD, FASE e FAHA della divisione di anestesia cardiotoracica della Duke University School of Medicine. “Questo particolare sistema essenzialmente simula con chiarezza il battito cardiaco. Spiegare in che modo si forma un’immagine ultrasonica e come si correla alle caratteristiche anatomiche è estremamente difficile. Quando si cambia il piano dell’immagine con una sonda è difficile capire quali parti del cuore si stiano vedendo sullo schermo. Questo è legato al fatto che il cuore è tridimensionale e il sistema usa il 3D su un piano di 180 gradi. Un simulatore permette di vedere fianco a fianco non solo le modalità di generazione di un’immagine a ultrasuoni, ma anche cosa significano le sezioni in un ambiente rilassato e controllato nel quale non ci si deve preoccupare di interferire con le cure cliniche di un paziente o di evitare di perdere tempo prezioso. Questa tecnologia di ambiente virtuale fornisce un grande vantaggio iniziale ai nostri specializzandi.”

Il dottor Swaminathan ha poi spiegato che il vantaggio principale della tecnologia di simulazione consiste proprio nell’interazione in tempo reale offerta a specializzandi e strutturati. “Vedere il battito cardiaco e avere la possibilità di modificarne gli aspetti, di sezionarlo e di manipolarlo a piacere senza essere costretti a seguire le istruzioni dell’insegnante è una vera e propria rivoluzione nella formazione all’ecocardiografia.”

Prossimamente – una nuova applicazione di HeartWorks

Dopo il grande successo ottenuto con il simulatore ETE, il team dello UCLH Heart Hospital e di Glassworks ha iniziato a sviluppare un altro dispositivo HeartWorks, un ECT (ecocardiografia trans-toracica), che simula l’esperienza di un esame ultrasonico esterno. Questo dispositivo utilizza lo stesso modello di cuore virtuale dell’applicazione HeartWorks originaria, ma l’interazione per mezzo della sonda genera un piano di sezione che attraversa polmoni e cassa toracica, anch’essi visualizzati.

Nello sviluppo della nuova applicazione ECT, Glassworks sta analizzando la possibilità di sfruttare ulteriormente la tecnologia delle GPU Quadro di NVIDIA scrivendo strumenti shader nel linguaggio di programmazione NVIDIA CUDA per aumentare ancora le prestazioni. “Saremmo davvero felici di ottimizzare ulteriormente il prodotto per renderlo più veloce e aumentarne la qualità visiva”, ha dichiarato Llewellyn di Glassworks. “Sfrutteremo senz’altro ogni nuovo sviluppo offerto da NVIDIA.”



 
 
 
 
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