Das Herz, der Motor des Lebens, fasziniert Wissenschaftler seit jeher mit seinen Geheimnissen. Herz-Elektrophysiologische Anomalien führen zu schwerwiegenden Gesundheitsproblemen wie Herzrhythmusstörungen. Ein tiefes Verständnis ist daher für Diagnose und Therapie von Herzerkrankungen unerlässlich. Traditionelle Forschungsmethoden sind jedoch durch ethische und experimentelle Einschränkungen begrenzt und erschweren den Fortschritt.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Computersimulationen eingesetzt, um ein „digitales Zwillingsherz“ zu erstellen und die Herzaktivität in der virtuellen Welt nachzubilden. Die Simulation eines virtuellen Herzens ist jedoch extrem rechenintensiv. Die Simulation von Herzaktivitäten über wenige Millisekunden erfordert Milliarden von Berechnungen, während die Nachbildung der Herz-Elektroaktivität über eine Sekunde Stunden oder sogar länger dauern kann. Dies schränkt die Anwendung in der Klinik und der Arzneimittelforschung erheblich ein.
Bildquelle: Das Bild wurde mit KI generiert und stammt von Midjourney.
Kürzlich hat das Beijing Academy of Artificial Intelligence (BAAI) ein Echtzeit-Simulationssystem für die Herz-Elektrophysiologie entwickelt, das die virtuelle Herzaktivität in das „Ultra-Echtzeit“-Zeitalter katapultiert! Das bedeutet: Die Simulation von einer Sekunde Herzaktivität benötigt nur 0,84 Sekunden Rechenzeit!
Das ist keine Kleinigkeit! Dieses System ist bahnbrechend. Lassen Sie uns zunächst darüber sprechen, warum das Herz so wichtig ist. Das Herz ist der Motor unseres Lebens, es pumpt ununterbrochen Blut und versorgt den Körper mit Sauerstoff und Nährstoffen. Die Herzaktivität wird durch elektrische Signale gesteuert. Probleme in der Herz-Elektrophysiologie führen zu Herzrhythmusstörungen, die im schlimmsten Fall lebensbedrohlich sein können.
Daher versuchen Ärzte und Wissenschaftler seit langem, die Geheimnisse der Herz-Elektrophysiologie zu lüften. Traditionelle experimentelle Methoden sind jedoch entweder durch ethische Bedenken oder komplexe experimentelle Bedingungen eingeschränkt, was den Fortschritt verlangsamt. Hier kommen Computersimulationen ins Spiel. Wissenschaftler begannen, „virtuelle Herzen“ am Computer zu erstellen, um die Herzaktivität zu simulieren und so die Herz-Elektrophysiologie besser zu untersuchen.
Die Simulation eines virtuellen Herzens ist jedoch keine leichte Aufgabe und erfordert enorme Rechenleistung. Stellen Sie sich vor: unzählige Zellen im Herzen, jede Zelle mit kontinuierlicher elektrischer Aktivität. Eine präzise Simulation erfordert eine astronomische Rechenleistung! Frühere Technologien benötigten Milliarden von Berechnungen für die Simulation von wenigen Millisekunden Herzaktivität. Die Nachbildung einer Sekunde Herz-Elektroaktivität dauerte Stunden oder sogar länger – viel zu ineffizient für klinische Anwendungen und die Arzneimittelforschung.
Das vom BAAI entwickelte System hat die Geschwindigkeit der virtuellen Herzaktivität auf ein „Ultra-Echtzeit“-Niveau gesteigert. Dies bedeutet, dass Ärzte und Forscher die Herzaktivität wie einen Film beobachten und jederzeit pausieren, vor- oder zurückspulen können – eine enorme Vereinfachung der Forschung!
Wie hat das BAAI „Ultra-Echtzeit“ erreicht? Das ist kein Zufall, sondern das Ergebnis intensiver Arbeit!
Erstens wurde die anatomische Struktur des Herzmodells tiefgreifend optimiert. Es wurde festgestellt, dass das Herz viele Hohlräume enthält, wobei das eigentliche Herzmuskelgewebe nur etwa ein Drittel des Raumes einnimmt. Daher wurde eine spezielle Datenstruktur entwickelt, um die Daten des effektiven Herzmuskelgewebes zu speichern. So spart der Computer Zeit bei der Verarbeitung unnötiger Hohlraumdaten, was die Effizienz steigert.
Zweitens wurde die Berechnungsmethode der elektrophysiologischen Aktivität der Herzmuskelzellen verbessert. Eine „Quantisierungs“-Technik vereinfachte komplexe Berechnungen. Eine „Loop-Unrolling“-Strategie reduzierte die Anzahl der Datenzugriffe, was die Rechengeschwindigkeit deutlich erhöhte.
Drittens wurde die Hardwarearchitektur des Rechnersystems optimiert. Die enorme Rechenleistung moderner GPUs wurde genutzt, der Datentransfer und die Kommunikation optimiert, um einen schnellen Datenfluss zwischen den verschiedenen Recheneinheiten zu gewährleisten und die Rechenleistung weiter zu steigern.
Durch diese Optimierungsstrategien erzielte das BAAI eine 180-fache Steigerung der Herzsimulationsgeschwindigkeit – ein bahnbrechender Durchbruch im Bereich der Herzsimulation!
Dieses Ergebnis bietet neue Hoffnung für die Erforschung von Herzrhythmusstörungen, die Operations-Planung, die Entwicklung neuer Medikamente und liefert wertvolle Erfahrungen für die Echtzeitsimulation anderer komplexer physikalischer Systeme. Es ist ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Herzsimulationstechnologie!