Modelar as ondas elétricas complexas que causam arritmias cardíacas pode fornecer a chave para compreender e tratar uma das principais causas de morte no mundo. Até agora, Contudo, A modelagem em tempo real dessas formas de onda mortais em milhões de células cardíacas em interação exigia clusters de computadores especialmente poderosos - até mesmo supercomputadores.

Usando chips de processamento gráfico projetados para aplicativos de jogos e software que funcionam em navegadores comuns da web, pesquisadores mudaram esta modelagem das arritmias cardíacas de onda espiral mortal para computadores menos caros, e até mesmo para smartphones de última geração. Isso poderia colocar a modelagem 3-D em tempo real nas mãos de médicos que um dia poderão usar o sistema para diagnosticar e tratar esses ritmos cardíacos anormais. As novas ferramentas também podem ajudar os pesquisadores a estudar novos medicamentos que devem ser avaliados quanto ao seu potencial para causar arritmias cardíacas.

Além de problemas cardíacos, que pode exigir a resolução de bilhões de equações, as ferramentas também podem ser aplicadas a outros sistemas físicos, como fluxo de fluido e crescimento de cristal. A pesquisa, que foi apoiado pela National Science Foundation e National Institutes of Health, é relatado em 27 de março no jornal Avanços da Ciência . As novas ferramentas de simulação contam com Web Graphics Library (WebGL 2.0) e podem ser executadas na maioria dos sistemas operacionais comuns, independente do sistema operacional.

"Modelos que poderiam ser acessíveis a apenas um punhado de pesquisadores no mundo agora estarão disponíveis para muitos mais grupos, "disse Flavio Fenton, professor da Escola de Física do Instituto de Tecnologia da Geórgia. “Isso também abre a porta para muitas outras áreas de pesquisa onde as pessoas têm equações que podem ser executadas em paralelo. Qualquer pessoa pode ter acesso a essas soluções, que executam simulações milhares de vezes mais rápido do que CPUs padrão. "

Fenton e colaboradores da Georgia Tech e Rochester Institute of Technology têm estudado padrões de ritmo cardíaco prejudiciais para compreendê-los e, potencialmente, para projetar estratégias de controle que vão além dos tratamentos existentes, que usam drogas, dispositivos implantáveis ​​e ablação de tecidos para interromper as arritmias. Em última análise, os pesquisadores imaginam médicos usando simulações em tablets.

"Ser capaz de fazer simulações em tempo real em três dimensões poderia abrir a porta para aplicações clínicas onde poderíamos realmente obter geometrias de pacientes e resolver essas equações nas células que estão armazenadas no coração, "disse Elizabeth Cherry, um professor de matemática no Rochester Institute of Technology e um dos pesquisadores do projeto. "Pudemos ver aplicações na clínica que poderiam individualizar os tratamentos com base em suas geometrias cardíacas específicas. Poderíamos realmente testar possíveis terapias para ver o que funcionaria para cada paciente."

A chave para o que eles fizeram são unidades de processamento gráfico (GPUs), que foram desenvolvidos para ajudar os computadores a exibir gráficos e vídeo. Seu desenvolvimento e aplicação decolaram com o crescimento da indústria de jogos de computador, que precisa de processamento paralelo rápido. Smartphones de última geração têm até 900 núcleos de GPU, enquanto placas gráficas de última geração para laptops ou desktops podem ter mais de 5, 000. Cada núcleo pode processar dados de simulação, fornecer um sistema de computação maciçamente paralelo.

"Nos últimos anos, GPUs se tornaram realmente poderosas, "Fenton disse." Cada um tem vários processadores, para que você possa executar problemas em paralelo como um supercomputador. Devem ser calculadas até 40 ou 50 equações diferenciais para cada célula, e precisamos entender como milhões de células interagem. Fiquei surpreso que até mesmo um celular pode ter núcleos de GPU suficientes para executar essas simulações. "

Aproveitar a potência da GPU não foi tudo o que os pesquisadores fizeram. O software para as GPUs varia de acordo com o fabricante e o tipo de chip. Para permitir que as simulações sejam executadas em qualquer GPU, O cientista pesquisador Abouzar Kaboudian desenvolveu uma biblioteca de programação versátil que permitiu a ele e sua equipe de colaboradores desenvolver programas em WebGL que rodam em navegadores da web como Chrome e Firefox. Por meio de um navegador, as ferramentas podem executar as simulações em uma variedade de computadores, tablets e telefones - sem a necessidade de instalar novos programas neles.

"Se você tiver acesso à Internet e a um navegador moderno como Firefox ou Chrome, você pode simplesmente acessar um link da web e a simulação começará a ser executada na placa de vídeo do seu computador, "disse Kaboudian." Qualquer problema que possa ser paralelizado pode ser executado na biblioteca que criamos. Ele vai acelerar as simulações em qualquer computador em várias centenas de vezes. "

Embora o objetivo original fosse simular arritmias cardíacas, as ferramentas podem ser úteis com outras simulações, como reações químicas, o fluxo de fluido, crescimento de cristal e forças geofísicas.

"As forças oscilantes podem reduzir a vida útil de estruturas de engenharia civil, como plataformas de petróleo e dutos subaquáticos, "Kaboudian disse." Para entender essas forças, você tem que entender o fluxo de fluido ao redor das estruturas e como controlar as oscilações. Com este programa, você pode ver os efeitos das mudanças para modificar sua estratégia de design em tempo real. "

Os pesquisadores desenvolveram dez modelos diferentes com base em sua programação WebGL, e estão planejando disponibilizar as ferramentas para outros pesquisadores que desejem usá-las. Eles estão planejando melhorias futuras, como a capacidade de executar as simulações em mais de uma placa GPU para atingir velocidades computacionais ainda mais altas.

Embora as placas gráficas de ponta possam custar até milhares de dólares, mesmo aqueles que custam apenas algumas centenas de dólares podem fornecer poder computacional que só seria possível em supercomputadores que normalmente custariam várias centenas de milhares de dólares, Disse Kaboudian. Desta maneira, eles podem fornecer economia real em comparação com a operação de grandes clusters de computadores ou supercomputadores. E isso poderia tornar as simulações disponíveis para mais pesquisadores.

"Ser capaz de executar essas simulações em placas de GPU reduz muito o custo em comparação com um supercomputador tradicional, "Cherry observou." Mesmo as GPUs de celulares de última geração podem executar essas simulações. Isso expandirá o acesso ao mover essas simulações para dispositivos locais menores com os quais os pesquisadores estão familiarizados e podem pagar. "

Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation's Computer and Network Systems sob os subsídios CNS-1446675 e CNS-1446312 e pelo National Heart Lung and Blood Institute do National Institute of Health sob o subsídio 1R01HL143450-01. Quaisquer opiniões, descobertas, e as conclusões ou recomendações expressas neste material são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente as opiniões das agências patrocinadoras.