Grafikkort simulerer hjerteoperationer

Hvordan laver man en computervisualisering af hjertefejl i et barnehjerte så hurtigt og godt, at kirurgen er sikret mod ubehagelige overraskelser under operationen?

Svaret er kraftige grafikkort af den slags, som hardcore gamere har i deres computere. Og svaret kommer fra forskergruppen Medicinsk Visualisering og Simulation på Datalogisk Institut, Aarhus Universitet.

De nyeste grafikkort kan både lave avanceret visualisering og fysisk simulation - sidstnævnte oftest mange gange hurtigere end computerens processor (CPU), som forskere rundt om i verden hidtil har ladet sig nøjes med.

På denne måde er det muligt at skabe real time 3D-grafik ud fra billederne fra CT-, PET eller ultralydsscannere.

50 gange hurtigere

Væv er elastisk og ændrer form, når man trykker på eller trækker i det. Og sådan er 3D-renderingerne også - når man vel at mærke bruger digitale skalpeller, pincetter og tænger.

Kirurgen kan således på sin computer lægge kirurgiske snit, 'trække' hjertevæv til side og kigge ind i patientens hjertekamre og dermed nøje planlægge den rigtige operation på det rigtige hjerte. Gruppen har netop gennemført et studie på et børnehospital i London for at undersøge, om de patientspecifikke digitale 3D-modeller kan laves på rimelig tid og er præcise nok.

»Vi testede det med 40 patienter, og det viste sig, at vi på en time i gennemsnit kunne lave en tilstrækkeligt præcis model af en patients hjerte. Kirurgerne kan altså stole på, at de også vil kunne se det, de ser på 3D-modellen, når de åbner hjertet på patienten,« fortæller lektor Thomas Sangild Sørensen, der er datalog og har en ph.d.-grad i medicin.

Videoeksempel på en 3D-model:

»Mange forskellige grupper i verden arbejder med kirurgisk simulation, og en af de største udfordringer er at skabe informationerne i real time samtidig med, at detaljeringsgraden er høj nok. Vi har fundet en løsning på vævsdeformationsproblemet, så det kan løses vha. parallelberegninger på grafikkortene. De har mange processorer, der kan klare hver deres opgaver simultant, og så går det f.eks. 50 gange hurtigere end med CPU'en alene - de nye spillegrafikkort har nemlig flere hundrede processorer,« forklarer Thomas Sangild Sørensen.

»Vi var nogle af de første til at udnytte grafikkort som parallelle processorer til kirurgisk simulation,« tilføjer Thomas Sangild Sørensen, der sammen med den tidligere ph.d.-studerende Jesper Mosegaard oprindeligt udviklede den hjertekirurgiske simulator.

Cykling i scanneren

På det seneste har gruppen arbejdet intenst med avanceret realtime rekonstruktion af realtime 2D billeddata fra MRscannere.

I dag får man fra MR-scanning højst et par billeder i sekundet med dårlig opløsning. Alternativt skal patienten holde vejret i ti sekunder for at få et billede i høj opløsning. Hvis man vil optage og rekonstruere billeder med både en god rumlig og tidslig opløsning, skal der kompliceret matematik og en effektiv implementering til at rekonstruere billederne lige så hurtigt, som data bliver optaget.

»Vores vision er at kunne lave 20 billeder i sekundet i høj opløsning. Det kan vi allerede nu i laboratoriet med vore algoritmer og grafikkort. Det vil åbne et væld af nye kliniske muligheder, især fordi man vil kunne se skarpe billeder af ting, der bevæger sig. Man vil f.eks. kunne 'cykle' inde i scanneren, og scanneren vil kunne vise, hvordan fysiologien ændrer sig, f.eks. et foster der jo bevæger sig hele tiden,« siger Thomas Sangild Sørensen.

Gruppen samarbejder med dataloger, ingeniører, fysikere og læger på hospitaler i hhv. Bordeaux og London. Desuden har forskergruppen kontakt til scanner-producenterne Siemens og Philips, der begge kan se store potentialer i forskergruppens arbejde.

Thomas Sangild Sørensen forventer at lave de første testkørsler i 2010, og derefter er der kun kort vej til en konkret anvendelse af den nye teknologi, bl.a. på Skejby Sygehus.

Lavet i samarbejde med Aktuel Naturvidenskab