يمكن أن تؤدي التشوهات في الفيزيولوجيا الكهربية للقلب إلى عدم انتظام ضربات القلب الشديد، ويعد الفهم المتعمق لآليات عملها أمرًا بالغ الأهمية لتشخيص أمراض القلب وعلاجها. ومع ذلك، فإن طرق البحث التقليدية محدودة بالظروف الأخلاقية والتجريبية. في السنوات الأخيرة، قدمت تكنولوجيا المحاكاة الحاسوبية طريقة جديدة لدراسة الفيزيولوجيا الكهربية للقلب، ولكن التكاليف الحسابية العالية تحد من تطبيقها. ستقدم هذه المقالة نظام محاكاة الفيزيولوجيا الكهربية للقلب في الوقت الفعلي الذي طوره معهد Zhiyuan للأبحاث. ويحقق هذا النظام اختراقًا فائقًا في الوقت الفعلي في محاكاة نشاط القلب ويجلب أملًا جديدًا لأبحاث أمراض القلب والأوعية الدموية.
لقد اجتذب سر القلب، محرك الحياة، دائمًا انتباه عدد لا يحصى من العلماء. يمكن أن تؤدي التشوهات في الفيزيولوجيا الكهربية للقلب إلى مشاكل صحية خطيرة مثل عدم انتظام ضربات القلب، ويعد الفهم الشامل لها أمرًا بالغ الأهمية لتشخيص أمراض القلب وعلاجها. ومع ذلك، فإن طرق البحث التقليدية مقيدة بالظروف الأخلاقية والتجريبية، مما يجعل من الصعب تحقيق اختراقات.
وفي السنوات الأخيرة، حول العلماء اهتمامهم إلى المحاكاة الحاسوبية، في محاولة لبناء "قلب توأم رقمي" لإعادة إنتاج نبض القلب في العالم الافتراضي. ومع ذلك، فإن محاكاة القلب الافتراضية تتطلب مليارات العمليات الحسابية لمحاكاة بضعة ميلي ثانية من نشاط القلب، وتستغرق ساعات أو حتى أطول لإعادة إنتاج ثانية واحدة من النشاط الكهربائي للقلب، مما يحد بشكل كبير من استخدامها التطوير السريري والدوائي.
في الآونة الأخيرة، نجح معهد Zhiyuan للأبحاث في تطوير نظام محاكاة للفيزيولوجيا الكهربية للقلب في الوقت الفعلي، مما جلب نبض القلب الافتراضي إلى عصر "الوقت الحقيقي الفائق" وبعبارة أخرى، لمحاكاة ثانية واحدة من نشاط القلب، يستغرق الكمبيوتر 0.84 فقط ثواني لاستكمال المحاكاة مسمر!
هذه ليست مزحة، ما الشيء الرائع في هذا النظام؟ دعونا نتحدث أولاً عن سبب أهمية القلب. القلب هو محرك حياتنا، فهو يضخ الدم باستمرار ويوصل الأكسجين والمواد المغذية إلى الجسم كله. يعتمد نبض القلب على الإشارات الكهربائية. إذا كانت هناك مشكلة في الفيزيولوجيا الكهربية للقلب، فسوف تسبب عدم انتظام ضربات القلب، والذي قد يهدد الحياة في الحالات الشديدة.
لذلك، أراد الأطباء والعلماء دائمًا دراسة أسرار الفيزيولوجيا الكهربية للقلب، لكن الطرق التجريبية التقليدية إما محدودة بسبب القضايا الأخلاقية أو أن الظروف التجريبية معقدة للغاية والتقدم بطيء. في هذا الوقت، أصبحت تكنولوجيا محاكاة الكمبيوتر مفيدة. بدأ العلماء في محاولة بناء "قلب افتراضي" في الكمبيوتر لمحاكاة عملية نبض القلب، حتى يتمكنوا من دراسة الفيزيولوجيا الكهربية للقلب بسهولة أكبر.
ومع ذلك، فإن محاكاة القلب الافتراضي ليست مهمة سهلة، وتتطلب موارد حاسوبية عالية للغاية. فكر في الأمر، هناك الكثير من الخلايا في القلب، وكل خلية تخضع لنشاط كهربائي مستمر، إذا كنت ترغب في محاكاتها بدقة، فإن كمية الحسابات هي ببساطة فلكية! مع التكنولوجيا السابقة، يلزم محاكاة نشاط القلب لبضعة أجزاء من الثانية مع مليار عملية حسابية، سيستغرق الأمر ساعات أو حتى أطول لإعادة إنتاج ثانية واحدة من النشاط الكهربائي للقلب، وهذه الكفاءة منخفضة جدًا ولا يمكن استخدامها في التطوير السريري والأدوية.
يعمل النظام الذي طوره معهد Zhiyuan للأبحاث على زيادة سرعة نبض القلب الافتراضي بشكل مباشر إلى مستوى "الوقت الحقيقي الفائق"، مما يعني أن الأطباء والباحثين يمكنهم مراقبة نشاط القلب مثل مشاهدة فيلم، ويمكنهم التوقف مؤقتًا والتقدم السريع في الساعة. في أي وقت، وبالرجوع إلى الوراء، يمكنك دراسة ما تريد، فالأمر ليس مريحًا للغاية!
إذًا، كيف يحقق معهد Zhiyuan للأبحاث "الوقت الفعلي الفائق"؟ إنهم لا يتحدثون عنه بشكل عرضي فحسب، بل يبذلون جهدًا حقيقيًا في ذلك!
أولاً، قاموا بتحسين تشريح نموذج القلب بشكل عميق. ووجدوا أن هناك بالفعل العديد من التجاويف في القلب، وأن أنسجة عضلة القلب الحقيقية تشغل ثلث المساحة فقط. لذلك، قاموا بتصميم بنية بيانات خاصة تُستخدم خصيصًا لتخزين بيانات أنسجة عضلة القلب الصالحة، وبهذه الطريقة، لا يضطر الكمبيوتر إلى إضاعة الوقت في معالجة بيانات التجويف غير المفيدة، ويتم تحسين الكفاءة بشكل طبيعي.
ثانيًا، قاموا بتحسين الأساليب الحسابية للفيزيولوجيا الكهربية لعضلة القلب. لقد استخدموا تقنية تسمى "التكميم" لتبسيط عملية الحساب المعقدة، كما استخدموا أيضًا استراتيجية تسمى "توسيع الحلقة" لتقليل عدد قراءات البيانات. وبهذه الطريقة، تم تحسين سرعة الحساب بشكل كبير.
وأخيرًا، قاموا أيضًا بتحسين بنية الأجهزة لنظام الحوسبة. إنها تستفيد بشكل كامل من قوة الحوسبة القوية لوحدات معالجة الرسومات الحديثة، وتحسن نقل البيانات وطرق الاتصال، وتسمح للبيانات بالتدفق بسرعة بين وحدات الحوسبة المختلفة، وتزيد من تحسين كفاءة الحوسبة.
من خلال استراتيجيات التحسين هذه، حقق معهد Zhiyuan للأبحاث أخيرًا زيادة قدرها 180 ضعفًا في سرعة محاكاة القلب، وهو بالتأكيد إنجاز رائد في مجال محاكاة القلب!
لا يجلب هذا الإنجاز أملًا جديدًا في مجالات أبحاث آلية عدم انتظام ضربات القلب والتخطيط الجراحي وأبحاث وتطوير الأدوية الجديدة فحسب، بل يوفر أيضًا تجربة قيمة للمحاكاة في الوقت الفعلي للأنظمة الفيزيائية المعقدة الأخرى، وهو معلم آخر في تاريخ التطور تكنولوجيا محاكاة القلب!
تمثل هذه النتيجة الرائعة من معهد Zhiyuan للأبحاث دخول تكنولوجيا المحاكاة الفيزيولوجية الكهربية للقلب إلى عصر جديد، مما يوفر أداة قوية للبحث المستقبلي وعلاج أمراض القلب والأوعية الدموية، بالإضافة إلى المحاكاة في الوقت الفعلي للأنظمة الفيزيائية المعقدة الأخرى، مما يوفر خبرة قيمة و مرجع.