GPU助力智慧醫(yī)療

價(jià)值7萬億美元的醫(yī)療保健行業(yè)中，英偉達(dá)的Project Clara有望通過圖形處理器（GPU）計(jì)算來重新定義醫(yī)療成像，基于當(dāng)前的醫(yī)療儀器實(shí)現(xiàn)更高的保真度，或使用更少的射線來生成相同質(zhì)量的圖像，特別是將掃描儀的射線量減少六分之一，就能安全地用于兒童。

AI如何為醫(yī)療領(lǐng)域帶來變革

今年5月，英偉達(dá)CEO黃仁勛先生出席在波士頓舉行的世界醫(yī)療創(chuàng)新論壇，并與美國公共衛(wèi)生署（PHS）首席數(shù)據(jù)科學(xué)官Keith Dreyer探討了AI和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的革命。全球1,000多位業(yè)界和學(xué)術(shù)界領(lǐng)袖在該論壇上分享了AI與醫(yī)療交叉領(lǐng)域的最新創(chuàng)新成果。

英偉達(dá)與醫(yī)療保健領(lǐng)域的合作伙伴多年來一直共同努力，并取得了卓越成果。

英偉達(dá)的GPU計(jì)算平臺CUDA最早就是應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和生命科學(xué)領(lǐng)域。15年前發(fā)明的迭代重建是計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT, Computed Tomography）中的一種新算法，雖然可減少X射線劑量，但計(jì)算量巨大。通用電氣醫(yī)療產(chǎn)品的Revolution CT系列就是通過采用英偉達(dá)GPU，將輻射降低了82%。

GPU計(jì)算也為超聲波帶來了革命：通用電氣醫(yī)療產(chǎn)品的Vivid E95可執(zhí)行實(shí)時(shí)4D成像以查看血液流經(jīng)心臟的過程。

借助英偉達(dá)的GPU計(jì)算，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的克勞斯·舒爾特計(jì)算生物物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的生命科學(xué)研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)更大規(guī)模的分子動力學(xué)仿真，其規(guī)模可達(dá)到其他實(shí)現(xiàn)方式的1,000倍。這使得他們創(chuàng)建出了前所未有的HIV病毒衣殼試圖，同時(shí)也率先完成了煙草花葉病毒的完整生命形式的仿真。

賽默飛世爾科技的工程師利用NVIDIA GPU將其基因測序算法加速了250倍，并創(chuàng)建了Ion S5新一代測序系統(tǒng)，在分析定向基因序列的成本和時(shí)間節(jié)約方面都實(shí)現(xiàn)了突破。

在斯德哥爾摩大學(xué)，英偉達(dá)GPU助力研究人員Erik Lindahl的RELION成像應(yīng)用程序處理并重建分子結(jié)構(gòu)的3D圖像。RELION是榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的冷凍電鏡（cryogenic electron microscope）的成像軟件。Cryo-EM可讓研究人員凍結(jié)處于運(yùn)動過程中的分子，并首次實(shí)現(xiàn)在原子水平上觀測生物進(jìn)程。Cryo-EM被《自然》雜志評選為“年度技術(shù)（Method of the Year）”。

醫(yī)學(xué)影像研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)的力量。在去年舉行的前沿醫(yī)學(xué)成像會議MICCAI上發(fā)表的論文中，有一半的主題是應(yīng)用深度學(xué)習(xí)。目前，我們正在與300多家醫(yī)療保健領(lǐng)域的初創(chuàng)公司合作，致力于通過深度學(xué)習(xí)應(yīng)對當(dāng)前挑戰(zhàn)。這些企業(yè)的融資總額已經(jīng)超過15億美元。Arterys、Butterfly Networks、RADLogics、Viz.Ai和Zebra在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域已經(jīng)取得了令人振奮的成績，其中許多AI識別模型現(xiàn)已通過美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)。

抗生素對抗不了的細(xì)菌，GPU幫忙來解決

我們與耐抗生素的細(xì)菌正處于激烈對抗中，但借助GPU加速計(jì)算的模擬實(shí)驗(yàn)，研究人員將能夠?yàn)樾炉煼ǖ难邪l(fā)指明方向。

抗生素曾在上個(gè)世紀(jì)拯救過數(shù)百萬人的生命。但是隨著超級細(xì)菌的不斷增加，抗生素越來越束手無策。超級細(xì)菌能夠在藥理的攻擊下存活，且不斷進(jìn)化。

面對美國疾病控制中心所謂的“噩夢細(xì)菌”，已有的抗生素已然捉襟見肘。這使得包括英國首席醫(yī)療顧問在內(nèi)的部分人員警告稱，后抗生素時(shí)代“天啟”將要來臨，屆時(shí)普通感染、外科手術(shù)、肺結(jié)核甚至紙張劃傷都可能使人喪命。

發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一篇新論文讓人看到了一絲希望。借助GPU加速的超級計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)了葡萄球菌（造成醫(yī)療行業(yè)感染的主要原因）難以攻克的原因。他們的研究成果可以為研發(fā)新療法指明方向，從而打敗當(dāng)今堪稱無敵的細(xì)菌大敵。

▲耐甲氧西林葡萄球菌（洋紅色）↑

“頑強(qiáng)”的葡萄球菌

來自伊利諾伊大學(xué)貝克曼研究所和慕尼黑大學(xué)的研究人員對一種名為耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA) 的葡萄球菌感染展開了研究，這種細(xì)菌對通常用使用的抗生素沒有反應(yīng)。如果不加以控制，可能會引發(fā)敗血癥，甚至死亡。

研究人員發(fā)現(xiàn)了使MRSA緊緊附著于人類宿主的機(jī)制：一連串螺旋狀排列的氫鍵如同強(qiáng)力膠一樣將細(xì)菌蛋白質(zhì)分子固定于人類蛋白質(zhì)分子上。他們嘗試將這兩種分子撬開，以測試這些鍵在受力時(shí)的強(qiáng)度。

貝克曼研究所的研究科學(xué)家Rafael Bernardi表示：“這些細(xì)菌緊緊粘附于人類蛋白質(zhì)分子上，無法將其分離。破壞一個(gè)氫鍵很容易，而難就難在我們必須一次性破壞所有氫鍵?！?/p>

揭開紐帶之謎

在醫(yī)院或者療養(yǎng)院，對生病或身體虛弱的患者，葡萄球菌感染尤其常見。諸如髖關(guān)節(jié)置換裝置或起搏器之類的醫(yī)療植入物也會造成危險(xiǎn)，因?yàn)榧?xì)菌通常附著于其表面。

研究人員使用了兩種方法來查明MRSA感染難以攻克的原因。慕尼黑大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用高分辨率原子力顯微鏡，嘗試以物理方式將細(xì)菌分子與人類分子分離開來。貝克曼研究所團(tuán)隊(duì)所用的方法是：在伊利諾伊大學(xué)由 GPU 驅(qū)動的藍(lán)水（Blue Waters）超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)行2400次分子動力學(xué)模擬。

所得結(jié)果完全相同：兩者均表明超強(qiáng)氫鍵是導(dǎo)致MRSA刀槍不入的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

Bernardi說：“我們經(jīng)常會遇到兩種方法所得結(jié)果相符的情況，但是這次卻令人驚嘆。通過該模擬，我們可以隨時(shí)看到每一個(gè)原子，因此我們獲得的詳細(xì)信息要比用顯微鏡觀察到的更多。”

上圖是將細(xì)菌蛋白（藍(lán)色和綠色）與人類蛋白質(zhì)分子（橘色）相連接的氫鍵（紫色）示意圖。圖片來源是貝克曼研究所的 Rafael Bernardi。

這些鍵正是導(dǎo)致某些葡萄球菌感染和其他耐抗生素疾病非常難以治療的機(jī)制。

可能的新療法

Bernardi使用CUDA加速的分子動力學(xué)和虛擬化軟件，僅在藍(lán)水的GPU節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他表示，如果沒有GPU，就無法完成如此多的模擬，也無法獲得如此精確的結(jié)果。

“我由衷希望相關(guān)方可以利用我們獲悉的知識來研究新策略，治療葡萄球菌感染?！彼f，“例如，制藥公司可以研發(fā)能夠阻止或減弱鍵形成的治療方法?！?/p>

▲細(xì)菌感染開始示意圖↑

在圖片底部，人類蛋白質(zhì)包覆著醫(yī)療植入物的表面。彩色的棒狀物是引發(fā)感染的細(xì)菌。中央細(xì)菌下方的透明結(jié)構(gòu)是將細(xì)菌固定到植入物表面的蛋白質(zhì)。圖片來源：美國國立衛(wèi)生研究院大分子建模和生物信息中心。