Anormalidades na eletrofisiologia cardíaca podem levar a arritmias graves, e uma compreensão profunda de seus mecanismos operacionais é crucial para o diagnóstico e tratamento de doenças cardíacas. No entanto, os métodos tradicionais de investigação são limitados por condições éticas e experimentais. Nos últimos anos, a tecnologia de simulação computacional proporcionou uma nova maneira de estudar a eletrofisiologia cardíaca, mas os altos custos computacionais limitam sua aplicação. Este artigo apresentará o sistema de simulação de eletrofisiologia cardíaca em tempo real desenvolvido pelo Zhiyuan Research Institute. Este sistema alcança um avanço em tempo superreal na simulação da atividade cardíaca e traz uma nova esperança para a pesquisa de doenças cardiovasculares.
O mistério do coração, motor da vida, sempre atraiu a atenção de inúmeros cientistas. Anormalidades na eletrofisiologia cardíaca podem levar a sérios problemas de saúde, como arritmias, e uma compreensão completa delas é crucial para o diagnóstico e tratamento de doenças cardíacas. No entanto, os métodos tradicionais de investigação são limitados por condições éticas e experimentais, dificultando a obtenção de avanços.
Nos últimos anos, os cientistas voltaram sua atenção para a simulação computacional, tentando construir um “coração gêmeo digital” para reproduzir as batidas do coração no mundo virtual. No entanto, a simulação cardíaca virtual é extremamente exigente em recursos computacionais. São necessários bilhões de cálculos para simular alguns milissegundos de atividade cardíaca e leva horas ou até mais para reproduzir um segundo de atividade elétrica cardíaca, o que limita bastante seu uso. desenvolvimento clínico e de medicamentos.
Recentemente, o Zhiyuan Research Institute desenvolveu com sucesso um sistema de simulação de eletrofisiologia cardíaca em tempo real, trazendo o batimento do coração virtual para a era do "super tempo real". Em outras palavras, para simular 1 segundo de atividade cardíaca, o computador leva apenas 0,84! segundos para completar a simulação acertou em cheio!
Isso não é brincadeira. O que há de tão bom neste sistema? Vamos primeiro falar sobre por que o coração é tão importante. O coração é o motor de nossas vidas, bombeando sangue constantemente e fornecendo oxigênio e nutrientes para todo o corpo. O batimento do coração depende de sinais elétricos. Se houver um problema com a eletrofisiologia do coração, isso causará arritmia, que pode até ser fatal em casos graves.
Portanto, médicos e cientistas sempre quiseram estudar os mistérios da eletrofisiologia cardíaca, mas os métodos experimentais tradicionais são limitados por questões éticas ou as condições experimentais são demasiado complexas e o progresso é lento. Neste momento, a tecnologia de simulação computacional é útil. Os cientistas começaram a tentar construir um “coração virtual” no computador para simular o processo de batimento do coração, para que pudessem estudar de forma mais conveniente a eletrofisiologia cardíaca.
No entanto, a simulação cardíaca virtual não é uma tarefa fácil e requer recursos computacionais extremamente elevados. Pense nisso, há tantas células no coração, e cada célula está constantemente em atividade elétrica. Se você quiser simulá-la com precisão, a quantidade de cálculos é simplesmente astronômica. Com a tecnologia anterior, era necessário simular a atividade cardíaca por alguns milissegundos! Cálculos com um bilhão de cálculos levariam horas ou até mais para reproduzir um segundo de atividade elétrica do coração. Essa eficiência é muito baixa e não pode ser usada no desenvolvimento clínico e de medicamentos.
O sistema desenvolvido pelo Zhiyuan Research Institute aumenta diretamente a velocidade de batimento do coração virtual para um nível de “super tempo real”, o que significa que médicos e pesquisadores podem observar a atividade do coração como se estivessem assistindo a um filme, e podem pausar e avançar rapidamente em a qualquer hora, indo para trás, você pode estudar o que quiser, não é muito conveniente!
Então, como o Instituto de Pesquisa Zhiyuan alcança o "supertempo real"? Eles não apenas falam sobre isso casualmente, mas também se esforçam muito!
Primeiro, eles otimizaram profundamente a anatomia do modelo cardíaco. Eles descobriram que na verdade existem muitas cavidades no coração e que o tecido miocárdico real ocupa apenas 1/3 do espaço. Portanto, eles projetaram uma estrutura de dados especial usada especificamente para armazenar dados válidos do tecido miocárdico. Dessa forma, o computador não precisa perder tempo processando dados inúteis da cavidade e a eficiência é naturalmente melhorada.
Em segundo lugar, eles melhoraram os métodos computacionais para eletrofisiologia de cardiomiócitos. Eles usaram uma tecnologia chamada “quantização” para simplificar o complexo processo de cálculo e também usaram uma estratégia chamada “expansão de loop” para reduzir o número de leituras de dados.
Finalmente, eles também otimizaram a arquitetura de hardware do sistema computacional. Eles aproveitam ao máximo o poderoso poder de computação das GPUs modernas, otimizam a transmissão de dados e os métodos de comunicação, permitem que os dados fluam rapidamente entre diferentes unidades de computação e melhoram ainda mais a eficiência da computação.
Através dessas estratégias de otimização, o Instituto de Pesquisa Zhiyuan finalmente alcançou um aumento de 180 vezes na velocidade de simulação cardíaca, o que é definitivamente um avanço inovador no campo da simulação cardíaca!
Esta conquista não só traz uma nova esperança para os campos da pesquisa de mecanismos de arritmia, planejamento cirúrgico, pesquisa e desenvolvimento de novos medicamentos, mas também fornece experiência valiosa para simulação em tempo real de outros sistemas físicos complexos. É outro marco na história do desenvolvimento. da tecnologia de simulação cardíaca.
Este resultado inovador do Instituto de Pesquisa Zhiyuan marca a entrada da tecnologia de simulação eletrofisiológica cardíaca em uma nova era, fornecendo uma ferramenta poderosa para futuras pesquisas e tratamento de doenças cardiovasculares, bem como simulação em tempo real de outros sistemas físicos complexos. referência.