임상수련의, NVIDIA Quadro로 인간 심장 탐구

 
 
UCLH 심장 병원 팀과 Glassworks가 공동으로 HeartWorks 개발

2006년, UCLH(University College London Hospitals) 심장 병원 소속의 Sue Wright, Andrew Smith 및 Bruce Martin 박사 등 세 명의 임상의는 심장 해부학을 가르치는 데 사용할 수 있는 실제 인간 심장 모델이 부족한 데 대해 함께 모여 불만을 토로했습니다. 이들은 가상 심장을 만들어낼 아이디어를 생각해냈으며, 이러한 가상 심장이 해부학적3D 데이터 세트를 기초로 한다면 시뮬레이션한 초음파 영상을 생성하는 데 이 모델을 사용할 수도 있음을 깨달았습니다. 이 아이디어는 연구에 중요한 영향을 끼쳤는데, 그 이유는 내장형 프로브를 삽입해서 환자의 심장 박동 영상을 캡처하는 수행하기 까다로운 검사인 경식도 심장초음파(TOE 또는 TEE)의 경험을 시뮬레이션하는 데 이 아이디어를 사용할 수도 있기 때문입니다.

임상의들이 자신의 아이디어를 영국에 본사를 둔 유명한 시각 효과 회사인 Glassworks의 크리에이티브 아티스트 팀과 공유하면서 상황은 구체화되기 시작했습니다. 목표는 해부학적으로 정확하고 컴퓨터로 생성한(CG) 심장 모델을 만들어서, 확실한 초음파 표현을 즉시 생성하고 실시간으로 박동 애니메이션을 통해 심장 주기 동안 심장의 모양 변화를 표시하고 의사들이 슬라이스 장면들을 보면서 귀중한 진단 통찰력을 확보할 수 있도록 하는 것이었습니다.

Glassworks는 가상 심장 모델을 개발했습니다.

임상의들과 Glassworks는 이 프로젝트를 HeartWorks로 명명하고, 최초의 임상 수련 툴의 개발 및 사용 과정에 NVIDIA Quadro 프로페셔널 그래픽 솔루션의 고성능 컴퓨팅 및 시각화 성능을 활용했습니다.

Glassworks의 아티스트와 개발자로 구성된 소규모 팀은 살아서 박동하는 인간 심장을 체험하기 위해 개심 수술에 참석하는 등 방대한 디지털 심장 영상을 수집하고 분석하기 시작했습니다. Wright, Smith 및 Martin은 시스템 개발 시작 단계에 의과의, 심장 형태학자, 초음파 기사 및 기타 전문가와 함께 Glassworks와 컨설팅했습니다.

복잡한 사실적인 심장 모델과 실시간 애니메이션을 생성하기 위해 Glassworks 아티스트들과 애니메이터들은 NVIDIA Quadro GPU가 장착된 워크스테이션에서 실행되는 Autodesk Softimage 3D 애니메이션 소프트웨어를 사용했습니다. 이러한 프로페셔널 그래픽 솔루션은 초당 30프레임으로 고품질 영상을 렌더링하는 데 필요한 처리 성능을 제공해 애니메이션을 사실적이고 매끄럽게 유지해주었습니다.

Glassworks 창립자인 Hector McLeod는 “사용자가 화면에서 3D 영상과 상호 작용할 수 있는 몰입형 기술은 역사적으로 그래픽 기술 상태의 제한을 받아왔습니다.”면서 “대량 병렬 GPU 기술 기반으로 이룬 NVIDIA의 획기적 성과는 이러한 상황을 바꿔 놓았습니다.
HeartWorks 내에서 NVIDIA GPU가 수행하는 기능은 매우 복잡한 모델을 로드 및 표시하고, 일련의 복잡한 이벤트에서 이러한 모델을 초당 30프레임으로 렌더링하는 것입니다. 어떠한 특정 프레임에서 우리는 GPU를 활용해서 모델을 검토하고 슬라이스해서 여러 뷰에 주석을 달고 1/30초 내에 모델과 초음파 이 두 가지를 시각적으로 표시할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

Glassworks 소프트웨어 엔지니어인 David Llewellen은 “NVIDIA Quadro는 최고의 프로페셔널 그래픽 솔루션으로서 방대한 양의 데이터를 간편하게 처리할 수 있습니다. 이 모델의 폴리곤 카운트는 250,000으로서 높은 편이며, 우리는 두 가지 시뮬레이션을 생성하는 것 외에도 전체적인 해부학 라벨 시스템을 갖추고 있습니다. 그래픽적으로 우수해 보이는 모델을 얻기 위한 매우 세부적인 텍스처도 있는데, 이들 대부분은 OpenGL을 사용하고 GL Shader 언어를 실행합니다. HeartWorks가 실시간 경험을 제공하기 위해서는 두 가지 처리 능력이 모두 한꺼번에 필요합니다.”라고 덧붙였습니다.

Glassworks와 UCLH Heart Hospital 임상의들은 병원, 랩 및 대학용 시스템을 통합, 설치 및 지원하는 런던 소재의 Inventive Medical Ltd.를 통해 HeartWorks를 상용화했습니다. HeartWorks가 고객에게 제공될 때, HeartWorks 제품은 턴키 시스템으로서 인터랙티브, 가상 심장 모델 및 초음파 시뮬레이션 프로그램의 HeartWorks 소프트웨어, NVIDIA Quadro 프로페셔널 그래픽카드가 장착된 고성능 워크스테이션, 모니터/키보드/마우스, TOE/TEE 절차 교육 실습을 지원하는 프로브 및 토르소 마네킹 등이 포함되어 있습니다.

Duke University에서의 HeartWorks 구현 사례

HeartWorks의 초기 사용자는 Duke 대학, 특히 심장흉부 마취 및 중환자 의학 학부의 마취학과였습니다. 이 학과는 고급 경식도 심장초음파 프로그램 과정의 레지던트들과 전임의들의 교육을 위해 2009년 초반에 시뮬레이터를 도입했습니다. 1년차, 2년차 및 3년차 레지던트들은 주로 이 시뮬레이터를 기본 장초음파 뷰와 해부학을 배우는 데 사용하며, 고급 프로그램의 전임의들은 보다 미세한 기능을 자세히 검토하는 데 활용합니다.

Duke 대학 의대 심장흉부 마취 학부의 MD, FASE, FAHA인 Madhav Swaminathan 박사는 “시뮬레이션 기술을 통해 우리는 교육에 박차를 가하면서 획기적 도약을 이룰 수 있었습니다.”면서 “이러한 특별한 시스템은 기본적으로 심장 박동을 확실하게 시뮬레이션합니다. 초음파 영상이 어떻게 형성되고 해부학적 기능과 어떤 상관 관계 갖는지를 설명하기란 매우 어렵습니다. 프로브를 이용해 영상판을 변경하는 경우, 화면 상에서 심장의 어떤 부분이 표시되고 있는지를 이해하기는 어렵습니다. 왜냐하면 심장은 3차원인데 180도 판에서 3D를 사용하기 때문입니다. 시뮬레이터를 사용하면 초음파 영상이 생성되는 과정뿐만 아니라, 환자의 임상 치료에 방해가 된다거나 시간이 지나치게 많이 소요되는 것에 대해 걱정할 필요가 없으며, 여유있게 컷(cuts)의 의미를 나란히 확인할 수 있습니다. 이러한 가상 환경 기술을 통해 레지던트는 도약의 발판을 마련할 수 있습니다.”라고 말했습니다.
Swaminathan 박사는 이 시뮬레이션 기술의 주요 이점은 레지던트들과 전문의들이 실시간 상호 작용을 할 수 있다는 것이라고 부연 설명했습니다. “심장 박동을 보면서 심장 박동의 여러 측면을 수정하고 자르고 조합할 수 있다는 것은 에코 에듀케이션(echo education) 분야의 상당히 획기적인 성과입니다.

차세대 새로운 HeartWorks 어플리케이션

TOE/TEE 어플리케이션 시뮬레이터의 성공에 이어 UCLH Heart Hospital/Glassworks 팀은 외부 초음파 검사의 경험을 시뮬레이션하는 또 다른 HeartWorks 장치인 TTE 개발에 들어갔습니다. 이 장치는 원래의 HeartWorks 어플리케이션과 동일한 가상 심장 모델을 활용하지만 프로브를 통한 상호 작용으로 슬라이스 판이 생성되어 폐와 갈비뼈를 통과하면서 시각화해줍니다.

새로운 TTE 어플리케이션 개발 과정에서 Glassworks는 NVIDIA CUDA 프로그래밍 언어로 Shader 툴을 작성하여 이들 툴의 성능을 더욱 강화함으로써 NVIDIA의 Quadro GPU 기술의 추가 활용을 고려하고 있습니다. Glassworks의 Llewellyn은 “우리는 일이 보다 빠르게 진행되고 더욱 나아질 수 있도록 최적화를 이루고자 합니다.“면서 “NVIDIA가 앞으로 가져다주는 개발은 무엇이든 최대한 활용할 계획입니다.”라고 말했습니다.