Att modellera de komplexa elektriska vågorna som orsakar hjärtarytmier kan ge nyckeln till att förstå och behandla en viktig dödsorsak i världen. Tills nu, dock, realtidsmodellering av dessa dödliga vågformer inom miljontals interagerande hjärtceller krävde särskilt kraftfulla datorkluster – även superdatorer.

Använda grafikbearbetningschips designade för spelapplikationer och programvara som körs på vanliga webbläsare, forskare har flyttat denna modellering av den dödliga spiralvågens hjärtarytmier till billigare datorer, och även till avancerade smartphones. Det skulle kunna lägga 3D-modelleringen i realtid i händerna på läkare som en dag kan använda systemet för att diagnostisera och behandla dessa onormala hjärtrytmer. De nya verktygen kan också hjälpa forskare att studera nya läkemedel som måste utvärderas för deras potential att orsaka hjärtrytmrubbningar.

Förutom hjärtproblem, som kan kräva att lösa miljarder ekvationer, verktygen skulle också kunna tillämpas på andra fysiska system, såsom vätskeflöde och kristalltillväxt. Forskningen, som har fått stöd av National Science Foundation och National Institutes of Health, rapporteras 27 mars i tidskriften Vetenskapens framsteg . De nya simuleringsverktygen är beroende av Web Graphics Library (WebGL 2.0) och kan köras på de flesta vanliga operativsystem, oberoende av operativsystemet.

"Modeller som kan ha varit tillgängliga för bara en handfull forskare i världen kommer nu att vara tillgängliga för många fler grupper, sa Flavio Fenton, en professor vid School of Physics vid Georgia Institute of Technology. "Detta öppnar också dörren till många andra forskningsområden där människor har ekvationer som kan köras parallellt. Vem som helst kan ha tillgång till dessa lösningar, som kör simuleringar så mycket som tusentals gånger snabbare än vanliga processorer."

Fenton och medarbetare vid Georgia Tech och Rochester Institute of Technology har studerat skadliga hjärtrytmmönster för att förstå dem – och potentiellt för att utforma kontrollstrategier som går utöver befintliga behandlingar, som använder droger, implanterbara enheter och vävnadsablation för att stoppa arytmierna. I sista hand, forskarna föreställer sig att läkare använder simuleringarna på surfplattor.

"Att kunna göra realtidssimuleringar i tre dimensioner kan öppna dörren till kliniska applikationer där vi faktiskt kan få patientgeometrier och lösa dessa ekvationer i cellerna som är packade i hjärtat, sa Elizabeth Cherry, en professor i matematik vid Rochester Institute of Technology och en av projektforskarna. "Vi kunde se tillämpningar på kliniken som kunde individualisera behandlingar utifrån deras specifika hjärtgeometrier. Vi kunde faktiskt testa möjliga terapier för att se vad som skulle fungera för varje patient."

Nyckeln till vad de har gjort är grafikprocessorer (GPU), som utvecklades för att hjälpa datorer att visa grafik och video. Deras utveckling och tillämpning har nu tagit fart med tillväxten av datorspelsindustrin, som kräver snabb parallell bearbetning. Avancerade smartphones har så många som 900 GPU-kärnor, medan avancerade grafikkort för bärbara eller stationära datorer kan ha fler än 5, 000. Varje kärna kan bearbeta simuleringsdata, tillhandahåller ett massivt parallellt datorsystem.

"Under de senaste åren, GPU:er har blivit riktigt kraftfulla, Fenton sa. "Var och en har flera processorer, så att du kan köra problem parallellt som en superdator gör. Så många som 40 eller 50 differentialekvationer måste beräknas för varje cell, och vi måste förstå hur miljontals celler interagerar. Jag blev förvånad över att till och med en mobiltelefon kan ha tillräckligt med GPU-kärnor för att köra dessa simuleringar."

Att utnyttja GPU-kraften är inte allt forskarna har gjort. Programvaran för GPU:erna varierar beroende på tillverkare och chiptyp. För att tillåta simuleringarna att köras på valfri GPU, Forskaren Abouzar Kaboudian utvecklade ett mångsidigt programmeringsbibliotek som gjorde det möjligt för honom och hans team av medarbetare att utveckla program i WebGL som körs via webbläsare som Chrome och Firefox. Genom en webbläsare, verktygen kan köra simuleringarna på en mängd olika datorer, surfplattor och telefoner – utan att behöva installera några nya program på dem.

"Om du har tillgång till Internet och en modern webbläsare som Firefox eller Chrome, du kan bara gå till en webblänk och simuleringen börjar köras på grafikkortet på din dator, ", sa Kaboudian. "Alla problem som kan parallelliseras kan köras på biblioteket som vi har skapat. Det kommer att accelerera simuleringar på vilken dator som helst med flera hundra gånger."

Medan det ursprungliga målet var att simulera hjärtarytmier, verktygen kan vara användbara med andra simuleringar som kemiska reaktioner, vätskeflöde, kristalltillväxt och geofysiska krafter.

"Oscillerande krafter kan minska livslängden för anläggningskonstruktioner som petroleumplattformar och undervattensrörledningar, " Sa Kaboudian. "För att förstå dessa krafter, du måste förstå vätskeflödet runt strukturerna och hur man kontrollerar svängningarna. Med detta program, du kan se effekterna av ändringar för att ändra din designstrategi i realtid."

Forskarna har utvecklat tio olika modeller baserat på deras WebGL-programmering, och planerar att göra verktygen tillgängliga för andra forskare som vill använda dem. De planerar framtida förbättringar, såsom möjligheten att köra simuleringarna på mer än ett GPU-kort för att uppnå ännu högre beräkningshastigheter.

Även om avancerade grafikkort kan kosta upp till tusentals dollar, även de som bara kostar några hundra dollar kan ge beräkningskraft som bara skulle vara möjliga på superdatorer som normalt skulle kosta flera hundra tusen dollar, sa Kaboudian. På det här sättet, de kan ge verkliga besparingar jämfört med att driva stora datorkluster eller superdatorer. Och det kan göra simuleringar tillgängliga för fler forskare.

"Att kunna köra dessa simuleringar på GPU-kort sänker kostnaden avsevärt jämfört med en traditionell superdator, "Cherry noterade. "Även GPU:erna för avancerade mobiltelefoner kan köra dessa simuleringar. Det kommer att utöka åtkomsten genom att flytta dessa simuleringar till mindre lokala enheter som forskare är bekanta med och har råd med."

Denna forskning stöddes av National Science Foundations dator- och nätverkssystem under anslag CNS-1446675 och CNS-1446312 och av National Institute of Healths National Heart Lung and Blood Institute under anslag 1R01HL143450-01. Några åsikter, fynd, och slutsatser eller rekommendationer som uttrycks i detta material är författarnas och återspeglar inte nödvändigtvis åsikterna från de sponsrande organen.