Modelar las complejas ondas eléctricas que causan arritmias cardíacas podría proporcionar la clave para comprender y tratar una de las principales causas de muerte en el mundo. Hasta ahora, sin embargo, El modelado en tiempo real de esas formas de onda mortales dentro de millones de células cardíacas que interactúan requirió grupos de computadoras especialmente poderosos, incluso supercomputadoras.

El uso de chips de procesamiento de gráficos diseñados para aplicaciones de juegos y software que se ejecuta en navegadores web comunes, Los investigadores han trasladado este modelo de las arritmias cardíacas de ondas espirales mortales a computadoras menos costosas, e incluso a smartphones de gama alta. Eso podría poner el modelado 3D en tiempo real en manos de los médicos que algún día podrían usar el sistema para diagnosticar y tratar estos ritmos cardíacos anormales. Las nuevas herramientas también podrían ayudar a los investigadores a estudiar nuevos medicamentos que deben evaluarse por su potencial de causar arritmias cardíacas.

Más allá de los problemas cardíacos, que puede requerir la resolución de miles de millones de ecuaciones, las herramientas también podrían aplicarse a otros sistemas físicos, como el flujo de fluidos y el crecimiento de cristales. La investigación, que ha sido apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de Salud, se informa el 27 de marzo en la revista Avances de la ciencia . Las nuevas herramientas de simulación se basan en la biblioteca de gráficos web (WebGL 2.0) y pueden ejecutarse en la mayoría de los sistemas operativos comunes, independiente del sistema operativo.

"Los modelos que podrían haber sido accesibles para solo un puñado de investigadores en el mundo ahora estarán disponibles para muchos más grupos, "dijo Flavio Fenton, profesor de la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia. "Esto también abre la puerta a muchas otras áreas de investigación en las que las personas tienen ecuaciones que se pueden ejecutar en paralelo. Cualquiera puede tener acceso a estas soluciones, que ejecutan simulaciones miles de veces más rápido que las CPU estándar ".

Fenton y sus colaboradores en Georgia Tech y Rochester Institute of Technology han estado estudiando patrones dañinos del ritmo cardíaco para comprenderlos y, potencialmente, para diseñar estrategias de control que vayan más allá de los tratamientos existentes. que usan drogas, dispositivos implantables y ablación de tejidos para detener las arritmias. Por último, los investigadores imaginan a los médicos utilizando las simulaciones en tabletas.

"Ser capaz de hacer simulaciones en tiempo real en tres dimensiones podría abrir la puerta a aplicaciones clínicas en las que podríamos obtener geometrías de pacientes y resolver estas ecuaciones en las células que están empaquetadas en el corazón". "dijo Elizabeth Cherry, profesor de matemáticas en el Instituto de Tecnología de Rochester y uno de los investigadores del proyecto. "Pudimos ver aplicaciones en la clínica que podrían individualizar los tratamientos sobre la base de las geometrías específicas de su corazón. De hecho, podríamos probar posibles terapias para ver qué funcionaría para cada paciente".

La clave de lo que han hecho son las unidades de procesamiento de gráficos (GPU), que fueron desarrollados para ayudar a las computadoras a mostrar gráficos y videos. Su desarrollo y aplicación ahora han despegado con el crecimiento de la industria de los juegos de computadora, que necesita un procesamiento paralelo rápido. Los teléfonos inteligentes de gama alta tienen hasta 900 núcleos de GPU, mientras que las tarjetas gráficas de alta gama para computadoras portátiles o de escritorio pueden tener más de 5, 000. Cada núcleo puede procesar datos de simulación, proporcionando un sistema informático masivamente paralelo.

"Durante los últimos años, Las GPU se han vuelto realmente poderosas, ", Dijo Fenton." Cada uno tiene varios procesadores, para que pueda ejecutar problemas en paralelo como lo hace una supercomputadora. Se deben calcular hasta 40 o 50 ecuaciones diferenciales para cada celda, y necesitamos entender cómo interactúan millones de células. Me sorprendió que incluso un teléfono móvil pudiera tener suficientes núcleos de GPU para ejecutar estas simulaciones ".

Aprovechar la potencia de la GPU no es todo lo que han hecho los investigadores. El software para las GPU varía según el fabricante y el tipo de chip. Para permitir que las simulaciones se ejecuten en cualquier GPU, El científico investigador Abouzar Kaboudian desarrolló una biblioteca de programación versátil que le permitió a él y a su equipo de colaboradores desarrollar programas en WebGL que se ejecutan a través de navegadores web como Chrome y Firefox. A través de un navegador, las herramientas pueden ejecutar las simulaciones en una variedad de computadoras, tabletas y teléfonos, sin la necesidad de instalar ningún programa nuevo en ellos.

"Si tiene acceso a Internet y un navegador web moderno como Firefox o Chrome, simplemente puede ir a un enlace web y la simulación comenzará a ejecutarse en la tarjeta gráfica de su computadora, ", dijo Kaboudian." Cualquier problema que se pueda paralelizar puede ejecutarse en la biblioteca que hemos creado. Acelerará las simulaciones en cualquier computadora varios cientos de veces ".

Si bien el objetivo original era simular arritmias cardíacas, las herramientas pueden ser útiles con otras simulaciones como reacciones químicas, flujo de fluido, crecimiento cristalino y fuerzas geofísicas.

"Las fuerzas oscilantes pueden reducir la vida útil de las estructuras de ingeniería civil, como las plataformas petrolíferas y las tuberías submarinas, ", Dijo Kaboudian." Para entender estas fuerzas, tienes que entender el flujo de fluidos alrededor de las estructuras y cómo controlar las oscilaciones. Con este programa, puede ver los efectos de los cambios para modificar su estrategia de diseño en tiempo real ".

Los investigadores han desarrollado diez modelos diferentes basados ​​en su programación WebGL, y planean poner las herramientas a disposición de otros investigadores que quieran utilizarlas. Están planificando mejoras futuras, como la capacidad de ejecutar las simulaciones en más de una tarjeta GPU para lograr velocidades computacionales aún mayores.

Aunque las tarjetas gráficas de gama alta pueden tener un costo de hasta miles de dólares, incluso aquellos que cuestan solo unos pocos cientos de dólares pueden proporcionar una potencia computacional que solo sería posible en supercomputadoras que normalmente costarían varios cientos de miles de dólares, Dijo Kaboudian. De este modo, pueden proporcionar ahorros reales en comparación con la operación de grandes grupos de computadoras o supercomputadoras. Y eso podría hacer que las simulaciones estén disponibles para más investigadores.

"Poder ejecutar estas simulaciones en tarjetas GPU reduce considerablemente el costo en comparación con una supercomputadora tradicional, "Cherry señaló." Incluso las GPU de los teléfonos móviles de gama alta pueden ejecutar estas simulaciones. Eso ampliará el acceso al trasladar estas simulaciones a dispositivos locales más pequeños con los que los investigadores están familiarizados y pueden pagar ".

Esta investigación fue apoyada por Computer and Network Systems de la National Science Foundation bajo las subvenciones CNS-1446675 y CNS-1446312 y por el National Institute of Health's National Heart Lung and Blood Institute bajo la subvención 1R01HL143450-01. Cualquier opinión recomendaciones, y las conclusiones o recomendaciones expresadas en este material pertenecen a los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista de las agencias patrocinadoras.