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NVIDIA Quadro permet aux cliniciens en formation d'explorer le cœur humain

 
 

Les équipes de l'UCLH Heart Hospital s'associent à Glassworks pour créer HeartWorks.

DÉFI
Heartworks

En 2006, trois cliniciens de l' University College London Hospitals (UCLH) Heart Hospital, les docteurs Sue Wright, Andrew Smith et Bruce Martin, se sont rassemblés pour exprimer leur frustration de ne pas avoir de modèle réaliste du cœur humain, qui pourrait permettre une meilleure formation à l'anatomie cardiaque. Ils ont ainsi eu l'idée de créer un cœur virtuel et ont rapidement réalisé que, si ce modèle s'appuyait sur un ensemble de données 3D anatomiques, il pourrait être utilisé pour exécuter la simulation d’une image ultrasonore. Ce projet pouvait jouer un rôle significatif en matière de formation médicale, car il allait également pouvoir être utilisé pour simuler la réalisation d'une échocardiographie transœsophagienne (ETO ou TEE), un examen difficile à mener puisqu'il consiste à insérer une sonde interne dans le cœur d'un patient pour en capturer des images.

Lorsque les cliniciens ont communiqué leur idée à l'équipe de concepteurs de Glassworks, une société d'effets visuels basée au Royaume-Uni et récompensée à maintes reprises pour ses travaux, le projet a commencé à prendre forme. L’objectif principal de ce travail collaboratif consistait à créer un modèle de cœur généré par ordinateur et anatomiquement précis, pouvant offrir instantanément une représentation ultrasonore authentique, être animé pour battre en temps réel et présenter les changements de forme du cœur au cours du cycle cardiaque. L'un des objectifs était également de permettre au docteur d'afficher des plans de coupe afin d'obtenir des aperçus cruciaux pour le diagnostic.

SOLUTION
Heartworks

Glassworks développe un modèle de cœur virtuel

Les cliniciens et Glassworks ont nommé leur projet HeartWorks, et se sont appuyés sur les performances de calcul et la puissance de visualisation des solutions graphiques professionnelles NVIDIA Quadro pour développer et utiliser cet outil de formation clinique, une première en son genre.

Une petite équipe d’infographistes et de développeurs de Glassworks a commencé à collecter une quantité importante d'images numériques du cœur et a assisté à une opération à cœur ouvert, pour observer les battements du cœur humain. Wright, Smith et Martin ont collaboré avec des chirurgiens en chef, des morphologistes cardiaques, des ultrasonographes et d'autres experts, qu'ils ont consultés avec Glassworks au début du développement du système.

Pour créer un modèle de cœur réaliste et complexe et obtenir des animations en temps réel, les artistes et les animateurs de Glassworks ont utilisé le logiciel d'animation 3D Autodesk Softimage, sur des stations de travail équipées des processeurs graphiques (GPU) NVIDIA Quadro. Ces solutions graphiques professionnelles ont offert la puissance de traitement nécessaire au rendu d'images de haute qualité à 30 images par seconde, pour des animations réalistes et fluides.

« Les technologies immersives permettant aux utilisateurs d’interagir avec des images en 3D étaient autrefois limitées par l'état de la technologie graphique et par les budgets accordés », explique Hector McLeod, fondateur de Glassworks. « La technologie révolutionnaire de processeur graphique massivement parallèle développée par NVIDIA a changé la donne.
Dans HeartWorks, le processeur graphique NVIDIA charge et affiche des modèles extrêmement complexes et en offre un rendu à 30 images par seconde, dans une série d'événements qui sont eux-mêmes complexes. Pour une image donnée, le processeur graphique examine le modèle, en fait des plans de coupe, annote les vues et affiche les deux visualisations, le modèle et les ultrasons, le tout en moins d'1/30 de seconde. »

David Llewellen, ingénieur logiciel chez Glassworks, ajoute : « NVIDIA Quadro est la meilleure solution graphique professionnelle. Elle gère avec facilité les énormes quantités de données que nous traitons. Le modèle possède un nombre de polygones élevé : 250 000, et nous générons deux simulations. Nous avons également un système complet d'étiquetages anatomiques. Pour que le modèle bénéficie d'un rendu graphique supérieur, nous disposons aussi de textures hautement détaillées, la plupart utilisant OpenGL et exécutant le langage GL Shader. Nous avons besoin de toute cette puissance de traitement pour que HeartWorks puisse offrir une expérience avancée en temps réel. »

Glassworks et les cliniciens de l'UCLH Heart Hospital ont commercialisé HeartWorks via Inventive Medical Ltd., à Londres, qui intègre, installe et prend en charge le système dans les hôpitaux, les laboratoires et les universités. Lorsqu'il est livré aux clients, HeartWorks garantit un système clés en main qui intègre : le logiciel HeartWorks (comprenant le modèle de cœur virtuel et interactif ainsi que le programme de simulation ultrasonore) ; un poste de travail haute performance équipé d'une carte graphique professionnelle NVIDIA Quadro ; un ensemble écran/clavier/souris ; et enfin, une sonde et un mannequin torse pour offrir une expérience réaliste dans le cadre de l'apprentissage de la procédure d'ETO/TEE.


IMPACT

HeartWorks en action à l'Université Duke

L'un des premiers utilisateurs de HeartWorks est l'Université Duke, plus précisément le Department of Anesthesiology, Division of Cardiothoracic Anesthesia and Critical Care Medicine (Département d'anesthésiologie, division d'anesthésie cardiothoracique et de réanimation). Le Département a acheté le simulateur en 2009 pour faire cours aux internes et aux étudiants dans leur programme avancé d'échocardiographie transœsophagienne. Les internes de première, deuxième et troisième année l'utilisent principalement pour apprendre les vues basiques de l'échocardiographie et de l'anatomie, tandis que les étudiants du programme avancé l'utilisent pour examiner des aspects plus subtils.

« La technologie de simulation nous a permis de faire un pas de géant dans notre enseignement », se réjouit le Dr. Madhav Swaminathan, directeur médical, membre de l'ASE (American Society of Echocardiography) et de l'AHA (American Heart Association), de la division d'anesthésie cardiothoracique de l'Université de médecine Duke. « Ce système particulier simule principalement le cœur qui bat. Il est extrêmement difficile d'expliquer la constitution d'une image ultrasonore et sa correspondance aux dispositions anatomiques. Lorsque vous modifiez le plan d'image avec une sonde, il n'est pas facile de comprendre quelles parties du cœur sont visibles à l'écran, car le cœur est en trois dimensions et la 3D est utilisée sur un plan à 180 degrés. Un simulateur permet de visualiser côte à côte non seulement les images ultrasonores, mais aussi l'impact des incisions dans un environnement contrôlé et sécurisé, où l'on n'a pas à s'inquiéter de l'interférence avec les soins cliniques d'un patient ou le délai à respecter. Cette technologie d'environnement virtuel offre aux internes un excellent point de départ. »

Le Dr. Swaminathan indique également que le principal avantage de la technologie de simulation est l'expérience d'interaction en temps réel pour les internes et les étudiants. « Lorsque l'on peut voir le cœur battre et en modifier certains aspects, l'entailler et le manipuler à volonté, sans avoir à le faire selon des schémas figés, on obtient une grande avancée dans l'apprentissage échographique. »

À venir – Une nouvelle application HeartWorks

Après son succès avec le simulateur d'application ETO/TEE, l'équipe UCLH Heart Hospital/Glassworks a commencé à développer un autre outil HeartWorks, un ETT (échocardiogramme transthoracique) qui simule l'expérience d'un examen externe par ultrasons. Il utilise le même modèle de cœur virtuel que l'application originale HeartWorks, mais l'interaction via une sonde génère un plan de coupe allant jusqu'aux poumons et aux côtes, qui sont également visualisés.

Dans cette nouvelle application ETT, Glassworks permet d’exploiter davantage la technologie de GPU NVIDIA Quadro en exploitant des outils de shader via le langage de programmation NVIDIA CUDA, pour leur donner encore plus de performance. « Nous aimerions apporter d'autres optimisations qui offriront plus de rapidité et un meilleur rendu », explique Llewellyn de Glassworks. « Nous exploiterons pleinement tous les développements que NVIDIA proposera par la suite. »



 
 
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