La modellazione delle complesse onde elettriche che causano le aritmie cardiache potrebbe fornire la chiave per comprendere e trattare una delle principali cause di morte nel mondo. Fino ad ora, però, la modellazione in tempo reale di quelle forme d'onda mortali all'interno di milioni di cellule cardiache interagenti richiedeva cluster di computer particolarmente potenti, persino supercomputer.

Utilizzo di chip di elaborazione grafica progettati per applicazioni di gioco e software che funzionano su normali browser Web, i ricercatori hanno spostato questa modellazione delle aritmie cardiache mortali con onde a spirale su computer meno costosi, e persino agli smartphone di fascia alta. Ciò potrebbe mettere la modellazione 3D in tempo reale nelle mani dei medici che un giorno potrebbero utilizzare il sistema per diagnosticare e trattare questi ritmi cardiaci anormali. I nuovi strumenti potrebbero anche aiutare i ricercatori a studiare nuovi farmaci che devono essere valutati per il loro potenziale di causare aritmie cardiache.

Oltre ai problemi cardiaci, che può richiedere la risoluzione di miliardi di equazioni, gli strumenti potrebbero essere applicati anche ad altri sistemi fisici, come il flusso di fluidi e la crescita dei cristalli. La ricerca, che è stato sostenuto dalla National Science Foundation e dal National Institutes of Health, è riportato il 27 marzo sulla rivista Progressi scientifici . I nuovi strumenti di simulazione si basano su Web Graphics Library (WebGL 2.0) e possono essere eseguiti sui sistemi operativi più comuni, indipendente dal sistema operativo.

"Modelli che avrebbero potuto essere accessibili solo a una manciata di ricercatori nel mondo saranno ora disponibili per molti più gruppi, " disse Flavio Fenton, professore alla School of Physics del Georgia Institute of Technology. "Questo apre anche la porta a molte altre aree di ricerca in cui le persone hanno equazioni che possono essere eseguite in parallelo. Chiunque può avere accesso a queste soluzioni, che eseguono simulazioni migliaia di volte più velocemente delle CPU standard."

Fenton e i collaboratori del Georgia Tech e del Rochester Institute of Technology hanno studiato i modelli dannosi del ritmo cardiaco per comprenderli e potenzialmente per progettare strategie di controllo che vadano oltre i trattamenti esistenti, che fanno uso di droghe, dispositivi impiantabili e ablazione dei tessuti per arrestare le aritmie. In definitiva, i ricercatori immaginano che i medici utilizzino le simulazioni su tablet.

"Essere in grado di fare simulazioni in tempo reale in tre dimensioni potrebbe aprire la porta ad applicazioni cliniche in cui potremmo effettivamente ottenere le geometrie dei pazienti e risolvere queste equazioni nelle cellule che sono stipate nel cuore, " disse Elizabeth Cherry, un professore di matematica al Rochester Institute of Technology e uno dei ricercatori del progetto. "Potremmo vedere applicazioni nella clinica che potrebbero individualizzare i trattamenti sulla base delle loro specifiche geometrie del cuore. Potremmo effettivamente testare possibili terapie per vedere cosa funzionerebbe per ogni paziente".

La chiave di ciò che hanno fatto sono le unità di elaborazione grafica (GPU), che sono stati sviluppati per aiutare i computer a visualizzare grafica e video. Il loro sviluppo e applicazione sono ora decollati con la crescita dell'industria dei giochi per computer, che necessita di un'elaborazione parallela veloce. Gli smartphone di fascia alta hanno fino a 900 core GPU, mentre le schede grafiche di fascia alta per laptop o computer desktop possono avere più di 5, 000. Ogni core può elaborare dati di simulazione, fornendo un sistema di calcolo massicciamente parallelo.

"Negli ultimi anni, Le GPU sono diventate davvero potenti, " Fenton ha detto. "Ognuno ha più processori, in modo da poter eseguire problemi in parallelo come fa un supercomputer. Per ogni cella devono essere calcolate fino a 40 o 50 equazioni differenziali, e dobbiamo capire come interagiscono milioni di cellule. Sono rimasto sorpreso dal fatto che anche un cellulare possa avere abbastanza core GPU per eseguire queste simulazioni".

Sfruttare la potenza della GPU non è tutto ciò che i ricercatori hanno fatto. Il software per le GPU varia in base al produttore e al tipo di chip. Per consentire l'esecuzione delle simulazioni su qualsiasi GPU, Il ricercatore Abouzar Kaboudian ha sviluppato una versatile libreria di programmazione che ha permesso a lui e al suo team di collaboratori di sviluppare programmi in WebGL che funzionano tramite browser Web come Chrome e Firefox. Attraverso un browser, gli strumenti possono eseguire le simulazioni su una varietà di computer, tablet e telefoni, senza la necessità di installare nuovi programmi su di essi.

"Se hai accesso a Internet e a un browser Web moderno come Firefox o Chrome, puoi semplicemente andare a un collegamento web e la simulazione inizierà a funzionare sulla scheda grafica del tuo computer, " ha detto Kaboudian. "Qualsiasi problema che può essere parallelizzato può essere eseguito sulla libreria che abbiamo creato. Accelererà le simulazioni su qualsiasi computer di diverse centinaia di volte".

Mentre l'obiettivo originale era quello di simulare le aritmie cardiache, gli strumenti possono essere utili con altre simulazioni come reazioni chimiche, flusso del fluido, crescita dei cristalli e forze geofisiche.

"Le forze oscillanti possono ridurre la durata di vita delle strutture di ingegneria civile come piattaforme petrolifere e condotte sottomarine, " Kaboudian ha detto. "Per comprendere queste forze, devi capire il flusso del fluido attorno alle strutture e come controllare le oscillazioni. Con questo programma, puoi vedere gli effetti delle modifiche per modificare la tua strategia di progettazione in tempo reale."

I ricercatori hanno sviluppato dieci diversi modelli basati sulla loro programmazione WebGL, e stanno progettando di mettere gli strumenti a disposizione di altri ricercatori che desiderano utilizzarli. Stanno pianificando miglioramenti futuri, come la possibilità di eseguire le simulazioni su più di una scheda GPU per raggiungere velocità di calcolo ancora più elevate.

Sebbene le schede grafiche di fascia alta possano costare fino a migliaia di dollari, anche quelli che costano solo poche centinaia di dollari possono fornire potenza di calcolo che sarebbe possibile solo su supercomputer che normalmente costerebbero diverse centinaia di migliaia di dollari, ha detto Kaboudian. In questo modo, possono fornire risparmi reali rispetto al funzionamento di grandi cluster di computer o supercomputer. E questo potrebbe rendere disponibili le simulazioni a più ricercatori.

"Essere in grado di eseguire queste simulazioni su schede GPU riduce notevolmente i costi rispetto a un supercomputer tradizionale, " ha osservato Cherry. "Anche le GPU dei cellulari di fascia alta possono eseguire queste simulazioni. Ciò amplierà l'accesso spostando queste simulazioni su dispositivi locali più piccoli con cui i ricercatori hanno familiarità e che possono permettersi".

Questa ricerca è stata supportata dal Computer and Network Systems della National Science Foundation con le sovvenzioni CNS-1446675 e CNS-1446312 e dal National Heart Lung and Blood Institute del National Institute of Health con la sovvenzione 1R01HL143450-01. Qualsiasi opinione, risultati, e le conclusioni o le raccomandazioni espresse in questo materiale sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni delle agenzie sponsor.