杜克大学的生物医学工程师已经开发出一种方法,使用可穿戴设备(如智能手表)的数据来数字模拟一周内个人“心跳”的价值之前的记录只持续了几分钟
称为纵向血流动力学映射框架(LHMF),该方法创建特定患者血流的“数字双胞胎”,以评估3D特征这一进展对于改进当前评估心脏病或心脏病发作风险的黄金标准非常重要,该标准使用了一个很短的时间内的快照——这是一种对疾病进展长达数月的有力方法
该研究是与LawrenceLivermore国家实验室的计算科学家合作进行的,并于152023年在高性能计算、网络、存储和分析国际会议(SC23)上发表该会议是高性能计算领域的领先全球会议
“在一天内对患者的三维血流进行建模将需要大量的工作来计算一天中最好的超级计算机的时间,”曼达兰德尔斯、阿尔弗雷德·温伯恩和维多利亚·斯托维尔大学生物医学科学副教授、杜克大学实验室的博士助理Cyrus Tanade说“如果我们想获得长时间的血流动力学,我们需要一种放射转移解决方案来实现3D个性化模拟。”
在过去的十年里,研究人员在通过个人特定的血管靶向测量法精确建模压力和强制产生的血流方面取得了稳步进展Randles是该领域的领导者之一,他开发了一个名为HARVEY的软件包,以使用世界上最先进的超级计算机来应对挑战
这种冠状病毒数字双胞胎最常见的用途之一是确定是否应该对其他患者进行治疗以缓解疼痛这种计算方法与将问题的导线读入动脉本身的传统方法相比,是一种无创的方法
尽管该应用程序需要手动完成心跳模拟和单次快照的工作,但现场的目标是跟踪患者离开医院后数周或数月的压力动态然而,为了在杜克集团的计算机集群上获得10分钟的模拟数据,他们不得不将其锁定四个月
Randless说:“很明显,由于成本和时间的要求,这不是一个能帮助患者的可行解决方案。”“想一想这一周的时间来模拟明天的天气。到我们预计下暴雨的时候,水已经干涸了。”
为了长期将这些技术应用于现实世界中的人们,研究人员必须找到减少计算负荷的方法本文介绍了纵向血流动力学映射框架,该框架将近百年的模拟时间缩短至24小时
Tanadesaid说:“这些解决方案是通过打破任何不同节点之间的任务来模拟平行于其他节点的心跳。”“传统上,任务是通过并行计算在空间上分解的。但在这里,它们也在时间上分解。”
例如,人们可以合理地假设,周一10:00的冠状动脉流量规格可能对周三下午2:00的流量影响很小这使得该团队能够开发一种方法,同时准确模拟不同的块时间,并将它们拼凑在一起这一分解使得该部分不需要使用大型超级计算机,而是可以使用类似AmazonWebServices的云计算系统进行模拟
在测试的绘图框架上,研究人员使用试验和真实的方法模拟了750次心跳——大约10分钟的生物时间——并在杜克的计算机集群上使用了EB的计算时间分配利用智能手表的心率和心电图连续数据,它产生了完整的三维血流生物标志物,这些标志物可能与疾病进展和不良事件相关已经过了四个月才能完成并超过现有记录的数量顺序
他们在几个小时内将这些结果与LHMFrunning在OakRidgeNationalLaboratorySystem的MazonWorldServicesandSummit上产生的结果进行了比较只要LHMF可以在足够长的时间内工作,这些错误是不可接受的
然后,该团队通过引入聚类方法进一步改进HMF,进一步降低计算成本,并降低血液转换壁的收缩力,这是众所周知的心血管疾病的生物标志物,用于超过700000次心跳,或持续的活动这些结果表明,这组人制作了一张个性化的、纵向的血液动力学图,显示了力量的重要性,这意味着这些力量具有五种不稳定的脆弱状态
Tanadesaid说:“分配的结果与清除单个心跳的结果有很大不同。”“这项演示测试表明,使用长时间的血液流量测量提供了细微之处和信息,而这些信息与以前的黄金标准方法相比是无法感知的。”
Randles补充道:“如果我们能在冠状动脉等所有压力增加的关键区域治疗多发性硬化症,我们就可以预测患者发展为硬化症或这些疾病的进展。”“这种方法可以让我们比目前可能的更早地识别出心脏病的类型。”这项工作得到了国家科学基金会(ACI-1548562,DGE1164486)、能源部(DE-AC52-07NA27344,DE-AC05-00OR22725)、亚马逊网络服务、国家卫生研究院(DP1AG082343)和库尔特基金会的支持
来源:
Materials provided by
Duke University.
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