La modélisation des ondes électriques complexes qui causent les arythmies cardiaques pourrait fournir la clé pour comprendre et traiter une cause majeure de décès dans le monde. Jusqu'à maintenant, cependant, La modélisation en temps réel de ces formes d'onde mortelles dans des millions de cellules cardiaques en interaction nécessitait des grappes d'ordinateurs particulièrement puissantes, même des superordinateurs.

En utilisant des puces de traitement graphique conçues pour les applications de jeu et les logiciels qui s'exécutent sur des navigateurs Web ordinaires, les chercheurs ont déplacé cette modélisation des arythmies cardiaques mortelles à ondes spirales vers des ordinateurs moins coûteux, et même aux smartphones haut de gamme. Cela pourrait mettre la modélisation 3D en temps réel entre les mains de cliniciens qui pourraient un jour utiliser le système pour diagnostiquer et traiter ces rythmes cardiaques anormaux. Les nouveaux outils pourraient également aider les chercheurs à étudier de nouveaux médicaments qui doivent être évalués pour leur potentiel à provoquer des arythmies cardiaques.

Au-delà des problèmes cardiaques, qui peut nécessiter la résolution de milliards d'équations, les outils pourraient également être appliqués à d'autres systèmes physiques, tels que l'écoulement de fluide et la croissance cristalline. La recherche, qui a été soutenu par la National Science Foundation et les National Institutes of Health, est rapporté le 27 mars dans le journal Avancées scientifiques . Les nouveaux outils de simulation reposent sur la bibliothèque graphique Web (WebGL 2.0) et peuvent fonctionner sur la plupart des systèmes d'exploitation courants, indépendant du système d'exploitation.

"Des modèles qui auraient pu être accessibles à seulement une poignée de chercheurs dans le monde seront désormais disponibles pour beaucoup plus de groupes, " a déclaré Flavio Fenton, professeur à l'École de physique du Georgia Institute of Technology. "Cela ouvre également la porte à de nombreux autres domaines de recherche où les gens ont des équations qui peuvent être exécutées en parallèle. Tout le monde peut avoir accès à ces solutions, qui exécutent des simulations jusqu'à des milliers de fois plus rapidement que les processeurs standard."

Fenton et ses collaborateurs de Georgia Tech et du Rochester Institute of Technology ont étudié les schémas de rythme cardiaque nocifs pour les comprendre et potentiellement pour concevoir des stratégies de contrôle qui vont au-delà des traitements existants, qui consomment de la drogue, dispositifs implantables et ablation des tissus pour arrêter les arythmies. Finalement, les chercheurs envisagent des médecins utilisant les simulations sur des ordinateurs tablettes.

"Être capable de faire des simulations en temps réel en trois dimensions pourrait ouvrir la porte à des applications cliniques où nous pourrions réellement obtenir des géométries de patients et résoudre ces équations dans les cellules qui sont emballées dans le cœur, " dit Elizabeth Cherry, professeur de mathématiques au Rochester Institute of Technology et l'un des chercheurs du projet. "Nous pourrions voir des applications en clinique qui pourraient individualiser les traitements sur la base de leurs géométries cardiaques spécifiques. Nous pourrions en fait tester des thérapies possibles pour voir ce qui fonctionnerait pour chaque patient."

La clé de ce qu'ils ont fait sont les unités de traitement graphique (GPU), qui ont été développés pour aider les ordinateurs à afficher des graphiques et des vidéos. Leur développement et leur application ont maintenant décollé avec la croissance de l'industrie des jeux informatiques, qui nécessite un traitement parallèle rapide. Les smartphones haut de gamme ont jusqu'à 900 cœurs GPU, tandis que les cartes graphiques haut de gamme pour ordinateurs portables ou de bureau peuvent en avoir plus de 5, 000. Chaque cœur peut traiter des données de simulation, fournissant un système informatique massivement parallèle.

« Au cours des dernières années, Les GPU sont devenus vraiment puissants, " a déclaré Fenton. " Chacun a plusieurs processeurs, vous pouvez donc exécuter des problèmes en parallèle comme le fait un superordinateur. Jusqu'à 40 ou 50 équations différentielles doivent être calculées pour chaque cellule, et nous devons comprendre comment des millions de cellules interagissent. J'ai été surpris que même un téléphone portable puisse avoir suffisamment de cœurs GPU pour exécuter ces simulations."

Exploiter la puissance du GPU n'est pas tout ce que les chercheurs ont fait. Le logiciel pour les GPU varie selon le fabricant et le type de puce. Pour permettre aux simulations de s'exécuter sur n'importe quel GPU, Le chercheur scientifique Abouzar Kaboudian a développé une bibliothèque de programmation polyvalente qui lui a permis, ainsi qu'à son équipe de collaborateurs, de développer des programmes en WebGL qui s'exécutent via des navigateurs Web tels que Chrome et Firefox. Via un navigateur, les outils peuvent exécuter les simulations sur une variété d'ordinateurs, tablettes et téléphones, sans avoir besoin d'y installer de nouveaux programmes.

"Si vous avez accès à Internet et à un navigateur Web moderne comme Firefox ou Chrome, vous pouvez simplement aller sur un lien Web et la simulation commencera à s'exécuter sur la carte graphique de votre ordinateur, " a déclaré Kaboudian. " Tout problème qui peut être parallélisé peut fonctionner sur la bibliothèque que nous avons créée. Il accélérera les simulations sur n'importe quel ordinateur de plusieurs centaines de fois."