Нарушения электрофизиологии сердца могут привести к тяжелым аритмиям, и глубокое понимание механизмов их действия имеет решающее значение для диагностики и лечения заболеваний сердца. Однако традиционные методы исследования ограничены этическими и экспериментальными условиями. В последние годы технология компьютерного моделирования предоставила новый способ изучения электрофизиологии сердца, но высокие вычислительные затраты ограничивают ее применение. В этой статье будет представлена система моделирования сердечной электрофизиологии в реальном времени, разработанная Исследовательским институтом Чжиюань. Эта система совершает прорыв в моделировании сердечной деятельности в режиме сверхреального времени и дает новую надежду в исследованиях сердечно-сосудистых заболеваний.
Тайна сердца, двигателя жизни, всегда привлекала внимание бесчисленных учёных. Нарушения электрофизиологии сердца могут привести к серьезным проблемам со здоровьем, таким как аритмии, и их глубокое понимание имеет решающее значение для диагностики и лечения заболеваний сердца. Однако традиционные методы исследования ограничены этическими и экспериментальными условиями, что затрудняет достижение прорывных результатов.
В последние годы учёные обратили своё внимание на компьютерное моделирование, пытаясь построить «цифровое сердце-близнец», чтобы воспроизвести биение сердца в виртуальном мире. Однако моделирование виртуального сердца чрезвычайно требовательно к вычислительным ресурсам. Для моделирования нескольких миллисекунд сердечной активности требуются миллиарды вычислений, а для воспроизведения одной секунды электрической активности сердца требуются часы или даже больше, что сильно ограничивает его применение. клиническая разработка и разработка лекарств.
Недавно научно-исследовательский институт Чжиюань успешно разработал систему моделирования электрофизиологии сердца в реальном времени, переведя биение виртуального сердца в эпоху «суперреального времени». Другими словами, для моделирования 1 секунды сердечной деятельности компьютеру требуется всего 0,84! секунды, чтобы завершить симуляцию, получилось!
Это не шутка. Что такого замечательного в этой системе? Давайте сначала поговорим о том, почему сердце так важно. Сердце — двигатель нашей жизни, постоянно перекачивающий кровь и доставляющий кислород и питательные вещества всему организму. Биение сердца зависит от электрических сигналов. Если есть проблемы с электрофизиологией сердца, это может вызвать аритмию, которая в тяжелых случаях может быть даже опасной для жизни.
Поэтому врачи и ученые всегда хотели изучить тайны электрофизиологии сердца, но традиционные экспериментальные методы либо ограничены этическими проблемами, либо условия эксперимента слишком сложны, а прогресс идет медленно. В этот момент на помощь приходят технологии компьютерного моделирования. Ученые начали пытаться построить в компьютере «виртуальное сердце», чтобы имитировать процесс биения сердца, чтобы им было удобнее изучать электрофизиологию сердца.
Однако моделирование виртуального сердца — непростая задача, требующая чрезвычайно высоких вычислительных ресурсов. Подумайте об этом, в сердце так много клеток, и каждая клетка постоянно испытывает электрическую активность. Если вы хотите точно смоделировать это, объем вычислений просто астрономический! При использовании предыдущих технологий для моделирования сердечной деятельности требовалось несколько миллисекунд! При одном миллиарде вычислений для воспроизведения одной секунды электрической активности сердца потребуется несколько часов или даже больше. Эта эффективность слишком низка и не может быть использована в клинических исследованиях и разработке лекарств.
Система, разработанная Исследовательским институтом Чжиюань, напрямую увеличивает скорость биения виртуального сердца до уровня «суперреального времени». Это означает, что врачи и исследователи могут наблюдать за деятельностью сердца, как при просмотре фильма, и могут делать паузу и перематывать вперед. в любой момент, идя назад, можно изучать все, что хочешь, это не слишком удобно!
Так как же Чжиюаньскому научно-исследовательскому институту удалось добиться «суперреального времени»? Они не просто говорят об этом случайно, они приложили к этому реальные усилия!
Во-первых, они глубоко оптимизировали анатомию модели сердца. Они обнаружили, что в сердце на самом деле много полостей, а настоящая ткань миокарда занимает лишь 1/3 пространства. Поэтому они разработали специальную структуру данных, специально используемую для хранения достоверных данных о ткани миокарда. Таким образом, компьютеру не приходится тратить время на обработку бесполезных данных о полости, и эффективность естественным образом повышается.
Во-вторых, они усовершенствовали вычислительные методы электрофизиологии кардиомиоцитов. Они использовали технологию под названием «квантование» для упрощения сложного процесса вычислений, а также использовали стратегию «расширение цикла» для уменьшения количества операций чтения данных. Таким образом, скорость вычислений была значительно улучшена.
Наконец, они также оптимизировали аппаратную архитектуру вычислительной системы. Они в полной мере используют мощные вычислительные мощности современных графических процессоров, оптимизируют методы передачи данных и связи, позволяют данным быстро перемещаться между различными вычислительными блоками и еще больше повышают эффективность вычислений.
Благодаря этим стратегиям оптимизации Чжиюаньский научно-исследовательский институт наконец добился 180-кратного увеличения скорости симуляции сердца, что, безусловно, является революционным прорывом в области симуляции сердца!
Это достижение не только дает новую надежду в области исследования механизмов аритмии, хирургического планирования, исследований и разработок новых лекарств, но также дает ценный опыт для моделирования в реальном времени других сложных физических систем. Это еще одна веха в истории развития. технологии сердечного моделирования.
Этот прорывной результат Чжиюаньского научно-исследовательского института знаменует собой вступление технологии электрофизиологического моделирования сердца в новую эру, предоставляя мощный инструмент для будущих исследований и лечения сердечно-сосудистых заболеваний, а также моделирования в реальном времени других сложных физических систем. ссылка.