Het modelleren van de complexe elektrische golven die hartritmestoornissen veroorzaken, zou de sleutel kunnen zijn tot het begrijpen en behandelen van een belangrijke doodsoorzaak in de wereld. Tot nu, echter, voor real-time modellering van die dodelijke golfvormen in miljoenen op elkaar inwerkende hartcellen waren bijzonder krachtige computerclusters nodig, zelfs supercomputers.

Met behulp van grafische verwerkingschips die zijn ontworpen voor gaming-applicaties en software die op gewone webbrowsers draait, onderzoekers hebben deze modellering van de dodelijke hartritmestoornissen met spiraalgolven verplaatst naar goedkopere computers, en zelfs tot high-end smartphones. Dat zou de realtime 3D-modellering in handen kunnen geven van clinici die het systeem op een dag kunnen gebruiken om deze abnormale hartritmes te diagnosticeren en te behandelen. De nieuwe tools kunnen onderzoekers ook helpen bij het bestuderen van nieuwe medicijnen die moeten worden beoordeeld op hun potentieel om hartritmestoornissen te veroorzaken.

Naast hartproblemen, waarvoor miljarden vergelijkingen moeten worden opgelost, de tools kunnen ook worden toegepast op andere fysieke systemen, zoals vloeistofstroom en kristalgroei. Het onderzoek, die is ondersteund door de National Science Foundation en National Institutes of Health, wordt op 27 maart gerapporteerd in het journaal wetenschappelijke vooruitgang . De nieuwe simulatietools zijn gebaseerd op Web Graphics Library (WebGL 2.0) en kunnen op de meeste gangbare besturingssystemen worden uitgevoerd, onafhankelijk van het besturingssysteem.

"Modellen die mogelijk toegankelijk waren voor slechts een handvol onderzoekers in de wereld, zullen nu beschikbaar zijn voor veel meer groepen, " zei Flavio Fenton, een professor aan de School of Physics van het Georgia Institute of Technology. "Dit opent ook de deur naar veel andere onderzoeksgebieden waar mensen vergelijkingen hebben die parallel kunnen worden uitgevoerd. Iedereen kan toegang hebben tot deze oplossingen, die simulaties wel duizenden keren sneller uitvoeren dan standaard CPU's."

Fenton en medewerkers van Georgia Tech en Rochester Institute of Technology hebben schadelijke hartritmepatronen bestudeerd om ze te begrijpen - en mogelijk om controlestrategieën te ontwerpen die verder gaan dan bestaande behandelingen, die drugs gebruiken, implanteerbare apparaten en weefselablatie om de aritmieën te stoppen. uiteindelijk, de onderzoekers stellen zich voor dat artsen de simulaties op tabletcomputers gebruiken.

"Het kunnen doen van realtime simulaties in drie dimensies zou de deur kunnen openen naar klinische toepassingen waar we patiëntgeometrieën kunnen verkrijgen en deze vergelijkingen kunnen oplossen in de cellen die in het hart zijn verpakt, " zei Elizabeth Kers, een professor in de wiskunde aan het Rochester Institute of Technology en een van de projectonderzoekers. "We konden toepassingen in de kliniek zien die behandelingen zouden kunnen individualiseren op basis van hun specifieke hartgeometrieën. We zouden mogelijke therapieën kunnen testen om te zien wat voor elke patiënt zou werken."

De sleutel tot wat ze hebben gedaan zijn grafische verwerkingseenheden (GPU's), die zijn ontwikkeld om computers te helpen bij het weergeven van afbeeldingen en video. Hun ontwikkeling en toepassing zijn nu van de grond gekomen met de groei van de computerspelindustrie, die snelle parallelle verwerking nodig heeft. High-end smartphones hebben maar liefst 900 GPU-cores, terwijl high-end grafische kaarten voor laptops of desktopcomputers er meer dan 5 kunnen hebben, 000. Elke kern kan simulatiegegevens verwerken, het verstrekken van een massaal parallel computersysteem.

"De afgelopen jaren hebben GPU's zijn echt krachtig geworden, "Zei Fenton. "Iedereen heeft meerdere processors, zodat u problemen parallel kunt uitvoeren zoals een supercomputer doet. Voor elke cel moeten maar liefst 40 of 50 differentiaalvergelijkingen worden berekend, en we moeten begrijpen hoe miljoenen cellen op elkaar inwerken. Ik was verrast dat zelfs een mobiele telefoon genoeg GPU-cores heeft om deze simulaties uit te voeren."

Het benutten van GPU-kracht is niet alles wat de onderzoekers hebben gedaan. Software voor de GPU's verschilt per fabrikant en type chip. Om de simulaties op elke GPU te laten draaien, Onderzoekswetenschapper Abouzar Kaboudian ontwikkelde een veelzijdige programmeerbibliotheek waarmee hij en zijn team van medewerkers programma's in WebGL konden ontwikkelen die via webbrowsers zoals Chrome en Firefox draaien. Via een browser, de tools kunnen de simulaties op verschillende computers uitvoeren, tablets en telefoons, zonder dat u er nieuwe programma's op hoeft te installeren.

"Als u toegang heeft tot internet en een moderne webbrowser zoals Firefox of Chrome, je kunt gewoon naar een weblink gaan en de simulatie begint te lopen op de grafische kaart van je computer, " zei Kaboudian. "Elk probleem dat kan worden geparallelliseerd, kan worden uitgevoerd op de bibliotheek die we hebben gemaakt. Het zal simulaties op elke computer honderden keren versnellen."

Terwijl het oorspronkelijke doel was om hartritmestoornissen te simuleren, de tools kunnen nuttig zijn bij andere simulaties zoals chemische reacties, vloeistofstroom, kristalgroei en geofysische krachten.

"Ooscillerende krachten kunnen de levensduur van civieltechnische constructies zoals petroleumplatforms en onderwaterpijpleidingen verkorten, " zei Kaboudian. "Om deze krachten te begrijpen, je moet de vloeistofstroom rond de structuren begrijpen en de oscillaties beheersen. Met dit programma, u kunt in realtime de effecten zien van wijzigingen om uw ontwerpstrategie aan te passen."

De onderzoekers hebben tien verschillende modellen ontwikkeld op basis van hun WebGL-programmering, en zijn van plan de tools beschikbaar te stellen aan andere onderzoekers die ze willen gebruiken. Ze plannen toekomstige verbeteringen, zoals de mogelijkheid om de simulaties op meer dan één GPU-kaart uit te voeren om nog hogere rekensnelheden te bereiken.

Hoewel high-end grafische kaarten tot duizenden dollars kunnen kosten, zelfs degenen die slechts een paar honderd dollar kosten, kunnen rekenkracht leveren die alleen mogelijk zou zijn op supercomputers die normaal enkele honderdduizenden dollars zouden kosten, zei Kaboudian. Op deze manier, ze kunnen echte besparingen opleveren in vergelijking met het gebruik van grote computerclusters of supercomputers. En dat zou simulaties voor meer onderzoekers beschikbaar kunnen maken.

"Door deze simulaties op GPU-kaarten uit te voeren, zijn de kosten aanzienlijk lager in vergelijking met een traditionele supercomputer, " merkte Cherry op. "Zelfs de GPU's van geavanceerde mobiele telefoons kunnen deze simulaties uitvoeren. Dat zal de toegang vergroten door deze simulaties te verplaatsen naar kleinere lokale apparaten die onderzoekers kennen en zich kunnen veroorloven."

Dit onderzoek werd ondersteund door de computer- en netwerksystemen van de National Science Foundation onder subsidies CNS-1446675 en CNS-1446312 en door het National Heart Lung and Blood Institute van het National Institute of Health onder subsidie ​​1R01HL143450-01. Eventuele meningen, bevindingen, en conclusies of aanbevelingen die in dit materiaal worden uitgedrukt, zijn die van de auteurs en weerspiegelen niet noodzakelijk de standpunten van de sponsorbureaus.