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NVIDIA Quadro ermöglicht Ärzten in der Ausbildung die Erforschung des menschlichen Herzens

 
 

Teams des UCLH Heart Hospital entwickeln gemeinsam mit Glassworks das HeartWorks System.

DIE HERAUSFORDERUNG
Heartworks

Im Jahr 2006 kamen Dr. Sue Wright, Dr. Andrew Smith und Dr. Bruce Martin von der Herzklinik der University College London Hospitals (UCLH), darin überein, dass ein realistisches Modell des menschlichen Herzens sehr nützlich wäre, um Studenten die Anatomie des Herzens zu lehren. Sie kamen auf die Idee, ein virtuelles Herz zu kreieren. Bald stellten sie fest, dass ein solches auf anatomischen 3D Datensätzen basierendes Modell zu Erstellung eines simulierten Ultraschallbilds herangezogen werden könnte. Diese Idee hatte signifikante Auswirkungen für die Ausbildung, da das Modell auch zur Simulation der transösophageale Echokardiographie (TOE oder TEE) verwendet werden kann. Diese Form der Untersuchung ist ansonsten schwer zu üben, da eine Sonde in das Herz eingeführt werden muss, um Bilder aus dem Inneren des schlagenden Herzens aufzunehmen.

Die Ärzte erläuterten ihre Idee einem Team kreativer Designer von dem mehrfach ausgezeichneten britischen Effektstudio Glassworks, und das Projekt begann, Formen anzunehmen. Das Ziel war die Erschaffung eines anatomisch korrekten, computergenerierten Herzmodells, das per Knopfdruck ein authentisches Ultraschallbild produzieren kann. Es sollte animiert werden können, um in Echtzeit zu schlagen und die Änderungen der Form des Herzens während des Schlagzyklus aufzuzeigen. Außerdem sollte es dem Arzt ermöglichen, die Darstellung in einzelne Scheiben aufzuteilen, um wichtige diagnostische Erkenntnisse zu erlangen.

DIE LÖSUNG
Heartworks

Glassworks entwickelt ein virtuelles Herzmodell

Die Ärzte und Glassworks tauften ihr Projekt auf den Namen HeartWorks, Für die Entwicklung und Verwendung dieses innovativen Schulungssystems vertrauten sie der enormen HPC- und Grafikleistung von professionellen NVIDIA Quadro Grafiklösungen.

Ein kleines Team von Künstlern und Entwicklern von Glassworks begann mit der Zusammenstellung umfangreicher Datensätze mit Darstellungen des Herzens, darunter solche von Operationen am offenen Herzen und Live-Aufnahmen des schlagenden Herzens. Im Laufe des Projekts arbeiteten Wright, Smith und Martin und Glassworks mit führenden Chirurgen, Herzmorphologen, Ultraschallärzten und anderen Spezialisten zusammen.

Zur Erstellung des komplexen, realistischen Herzmodells und von Echtzeit-Animationen verwendeten die Künstler und Animatoren von Glassworks die Autodesk Softimage 3D Animationssoftware auf Workstations mit NVIDIA Quadro Grafikprozessoren. Diese professionellen Grafiklösungen liefern die notwendige Rechenleistung zum Rendern hochwertiger Bilder mit 30 Frames pro Sekunde, um realistische und ruckelfreie Animationen zu erzeugen.

„Die Möglichkeiten realistischer Szenarien, bei denen die Anwender mit 3D Darstellungen am Bildschirm interagieren können, hing früher immer von den verfügbaren Grafiktechnologien und vom Budget ab“, sagt Hector McLeod, der Gründer von Glassworks. „Das hat sich geändert, seit NVIDIA mit seinen innovativen, massiv-parallelen Grafikprozessor Technologien auf dem Markt ist.
In HeartWorks übernimmt der NVIDIA Grafikprozessor die Aufgabe, extrem komplexe Modelle zu laden und anzuzeigen und mit 30 Frames pro Sekunde zu rendern – und das in ebenfalls komplexen Ereignisabfolgen. In jedem einzelnen Frame nutzen wir die Rechenleistung des Grafikprozessors, um das Modell zu analysieren, in Scheiben aufzuteilen, die Ansichten mit Labels zu versehen und die zwei Visualisierungen (das Modell und das Ultraschallbild) anzuzeigen, und zwar in weniger als 1/30tel Sekunde.“

Der Software Engineer David Llewellen von Glassworks fügt hinzu:„NVIDIA Quadro ist die beste verfügbare professionelle Grafiklösung und verarbeitet ohne Probleme die immensen Datenmengen, mit denen wir sie füttern. Das Modell hat eine beeindruckende Polygonanzahl von 250.000 und wir erstellen immer zwei Simulationen gleichzeitig, ganz zu schweigen von einem ganzen System anatomischer Labels. Damit das Modell auch optisch gut aussieht, haben wir es mit sehr detaillierten Texturen versehen, die mehrheitlich OpenGL und die GL Shader Sprache verwenden. Wir benötigen zu jedem Zeitpunkt extrem viel Rechenleistung, um mit HeartWorks ein realistisches Echtzeit-Erlebnis zu liefern.“

Glassworks und die Ärzte der UCLH Herzklinik haben HeartWorks über Inventive Medical Ltd. in London vermarktet, die das System für Kliniken, Labors und Universitäten integriert, installiert und wartet. Bei der Auslieferung an den Kunden ist HeartWorks ein schlüsselfertiges System und enthält die HeartWorks Software (das interaktive, virtuelle Herzmodell und das Ultraschall-Simulationsprogramm), eine leistungsfähige Workstation mit professioneller NVIDIA Quadro Grafikkarte, Bildschirm, Tastatur und Maus sowie eine Sonde und eine Büste für den praktischen Aspekt der TOE/TEE Ausbildung.


DIE AUSWIRKUNGEN

HeartWorks im Einsatz an der Duke University

Einer der ersten Käufer von HeartWorks war die Unterabteilung für Kardiothorax-Anästhesie und Intensivmedizin der Abteilung für Anästhesiologie an der Duke University. Die Abteilung erwarb denn Simulator Anfang 2009 für die Lehre im Rahmen ihres Programms für transösophageale Echokardiografie für Fortgeschrittene. Studenten in den ersten drei Jahren verwenden die Simulation vorwiegend, um sich mit den Grundlagen der Echokardiografie und Anatomie vertraut zu machen, während höhere Semester die Detailfunktionen nutzen.

„Die Simulationstechnologie hat einen Quantensprung in der Lehre ermöglicht“, sagt Dr. Madhav Swaminathan, MD, FASE, FAHA, der Abteilung für Kardiothorax-Anästhesie an der medizinischen Fakultät der Duke University. „Dieses System ermöglicht eine deutliche Simulation des schlagenden Herzens. Es ist schwer zu vermitteln, wie ein Ultraschallbild genau entsteht und in welchem Bezug es zu den anatomischen Gegebenheiten steht. Wenn man das Herz mit einer Sonde untersucht, ist es beim Wechseln der Bildebene immer sehr schwer nachzuvollziehen, welche Region des Herzens gerade am Bildschirm angezeigt wird, da das Herz dreidimensional ist und man mit 3D auf einer 180° Ebene arbeitet. Am Simulator kann man nach und nach entdecken, wie das Ultraschallbild entsteht und was die Bildschnitte bedeuten, und das in einer kontrollierten, entspannten Umgebung, ohne die Pflege des Patienten zu behindern oder wertvolle Zeit zu verlieren. Diese Technologie für virtuelle Umgebungen gibt unseren Studenten einen riesigen Vorsprung.“

Dr. Swaminathan erklärte weiterhin, dass der Hauptvorteil der Simulationstechnologie für die Studenten in der Möglichkeit der Echtzeit-Interaktion liegt. „Es ist ein enormer Fortschritt für die Lehre der Echobildgebung, dass Studenten jetzt den Herzschlag beobachten und Aspekte des Herzens modifizieren können, dass sie Schnitte anfertigen und beliebig bearbeiten können, anstatt sich wie früher strikt an die Anweisungen des Lehrers halten zu müssen.“

Zukunftspläne – eine neue HeartWorks Anwendung

Nach dem Erfolg des TOE/TEE Anwendungssimulators begann das Team von der UCLH Herzklinik und Glassworks mit der Entwicklung eines neuen HeartWorks Geräts: ein TTE-System, das eine externe Ultraschalluntersuchung simuliert. Die Lösung verwendet dasselbe virtuelle Herzmodell wie die ursprüngliche HeartWorks Anwendung, aber die Interaktion mit der Sonde generiert Bildebenen durch Lunge und Rippen, die ebenfalls dargestellt werden.

Für die Entwicklung der neuen TTE-Anwendung zieht Glassworks die weitere Nutzung von NVIDIA Quadro Grafikprozessor Technologien in Betracht, indem Shader-Tools in der NVIDIA CUDA Programmiersprache geschrieben werden sollen, um eine weitere Leistungssteigerung zu erzielen. „Wir möchten Optimierungen einbauen, damit das System schneller läuft und die Ergebnisse noch besser aussehen“, sagt Llewellyn von Glassworks. „Wir planen, die neuesten Entwicklungen von NVIDIA zu integrieren.“



 
 
 
 
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