Anomalien in der Elektrophysiologie des Herzens können zu schweren Arrhythmien führen, und ein umfassendes Verständnis ihrer Wirkmechanismen ist für die Diagnose und Behandlung von Herzerkrankungen von entscheidender Bedeutung. Traditionelle Forschungsmethoden sind jedoch durch ethische und experimentelle Bedingungen begrenzt. In den letzten Jahren hat die Computersimulationstechnologie eine neue Möglichkeit zur Untersuchung der Herzelektrophysiologie eröffnet, doch hohe Rechenkosten schränken ihre Anwendung ein. In diesem Artikel wird das vom Zhiyuan Research Institute entwickelte Echtzeit-Simulationssystem für die Herzelektrophysiologie vorgestellt. Dieses System erzielt einen Super-Echtzeit-Durchbruch bei der Simulation der Herzaktivität und bringt neue Hoffnung in die Forschung zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
Das Geheimnis des Herzens, des Motors des Lebens, hat schon immer die Aufmerksamkeit unzähliger Wissenschaftler auf sich gezogen. Anomalien in der Elektrophysiologie des Herzens können zu schwerwiegenden Gesundheitsproblemen wie Herzrhythmusstörungen führen. Ein umfassendes Verständnis dieser Störungen ist für die Diagnose und Behandlung von Herzerkrankungen von entscheidender Bedeutung. Allerdings sind traditionelle Forschungsmethoden durch ethische und experimentelle Bedingungen begrenzt, was es schwierig macht, Durchbrüche zu erzielen.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf Computersimulationen gerichtet und versucht, ein „digitales Zwillingsherz“ zu bauen, um den Herzschlag in der virtuellen Welt zu reproduzieren. Die virtuelle Herzsimulation beansprucht jedoch extrem viele Rechenressourcen. Es sind Milliarden von Berechnungen erforderlich, um einige Millisekunden der Herzaktivität zu simulieren, und es dauert Stunden oder sogar länger, um eine Sekunde der elektrischen Herzaktivität zu reproduzieren, was ihre Einsatzmöglichkeiten stark einschränkt klinische und Arzneimittelentwicklung.
Kürzlich hat das Zhiyuan Research Institute erfolgreich ein Echtzeit-Herzelektrophysiologie-Simulationssystem entwickelt, das den Schlag des virtuellen Herzens in die „Super-Echtzeit“-Ära bringt. Mit anderen Worten: Um 1 Sekunde Herzaktivität zu simulieren, benötigt der Computer nur 0,84 Sekunden Sekunden, um die Simulation abzuschließen, hat es geschafft!
Das ist kein Witz. Was ist so toll an diesem System? Sprechen wir zunächst darüber, warum das Herz so wichtig ist. Das Herz ist der Motor unseres Lebens, es pumpt ständig Blut und versorgt den gesamten Körper mit Sauerstoff und Nährstoffen. Der Herzschlag beruht auf elektrischen Signalen. Liegt ein Problem mit der Elektrophysiologie des Herzens vor, kommt es zu Herzrhythmusstörungen, die in schweren Fällen sogar lebensbedrohlich sein können.
Daher wollten Ärzte und Wissenschaftler schon immer die Geheimnisse der Herzelektrophysiologie erforschen, doch traditionelle experimentelle Methoden sind entweder durch ethische Probleme begrenzt oder die experimentellen Bedingungen sind zu komplex und der Fortschritt ist langsam. Zu diesem Zeitpunkt erweist sich die Computersimulationstechnologie als nützlich. Wissenschaftler begannen zu versuchen, ein „virtuelles Herz“ im Computer zu bauen, um den Schlagvorgang des Herzens zu simulieren, damit sie die Elektrophysiologie des Herzens besser studieren können.
Allerdings ist die virtuelle Herzsimulation keine leichte Aufgabe und erfordert extrem hohe Rechenressourcen. Denken Sie darüber nach, es gibt so viele Zellen im Herzen, und jede Zelle ist ständig einer elektrischen Aktivität ausgesetzt. Wenn Sie dies genau simulieren möchten, ist der Berechnungsaufwand einfach astronomisch. Mit der bisherigen Technologie war die Simulation der Herzaktivität für einige Millisekunden erforderlich Bei einer Milliarde Berechnungen würde es Stunden oder sogar länger dauern, eine Sekunde der elektrischen Aktivität des Herzens zu reproduzieren. Diese Effizienz ist zu gering und kann nicht in der klinischen und Arzneimittelentwicklung eingesetzt werden.
Das vom Zhiyuan Research Institute entwickelte System erhöht die Schlaggeschwindigkeit des virtuellen Herzens direkt auf ein „Super-Echtzeit“-Niveau, was bedeutet, dass Ärzte und Forscher die Herzaktivität wie beim Ansehen eines Films beobachten und anhalten und vorspulen können Wenn man rückwärts geht, kann man jederzeit lernen, was man will, das ist nicht allzu bequem!
Wie erreicht das Zhiyuan Research Institute also „Super-Echtzeit“? Sie reden nicht nur beiläufig darüber, sie haben sich wirklich Mühe gegeben!
Zunächst haben sie die Anatomie des Herzmodells tiefgreifend optimiert. Sie fanden heraus, dass es tatsächlich viele Hohlräume im Herzen gibt und das echte Myokardgewebe nur 1/3 des Raums einnimmt. Daher haben sie eine spezielle Datenstruktur entwickelt, die speziell zum Speichern gültiger Myokardgewebedaten verwendet wird. Auf diese Weise muss der Computer keine Zeit mit der Verarbeitung nutzloser Hohlraumdaten verschwenden, und die Effizienz wird auf natürliche Weise verbessert.
Zweitens verbesserten sie die Berechnungsmethoden für die Elektrophysiologie von Kardiomyozyten. Sie verwendeten eine Technologie namens „Quantisierung“, um den komplexen Berechnungsprozess zu vereinfachen, und verwendeten außerdem eine Strategie namens „Loop-Erweiterung“, um die Anzahl der Datenlesevorgänge zu reduzieren.
Schließlich optimierten sie auch die Hardwarearchitektur des Computersystems. Sie nutzen die leistungsstarke Rechenleistung moderner GPUs voll aus, optimieren Datenübertragungs- und Kommunikationsmethoden, ermöglichen einen schnellen Datenfluss zwischen verschiedenen Recheneinheiten und verbessern die Recheneffizienz weiter.
Durch diese Optimierungsstrategien erreichte das Zhiyuan Research Institute schließlich eine 180-fache Steigerung der Herzsimulationsgeschwindigkeit, was definitiv einen bahnbrechenden Durchbruch auf dem Gebiet der Herzsimulation darstellt!
Diese Errungenschaft bringt nicht nur neue Hoffnung in die Bereiche der Arrhythmie-Mechanismusforschung, der chirurgischen Planung sowie der Forschung und Entwicklung neuer Medikamente, sondern liefert auch wertvolle Erfahrungen für die Echtzeitsimulation anderer komplexer physikalischer Systeme. Es ist ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Entwicklung der Herzsimulationstechnologie!
Dieses bahnbrechende Ergebnis des Zhiyuan Research Institute markiert den Eintritt der elektrophysiologischen Simulationstechnologie des Herzens in eine neue Ära und bietet ein leistungsstarkes Werkzeug für die zukünftige Forschung und Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie die Echtzeitsimulation anderer komplexer physikalischer Systeme Referenz.