GPU助力智慧醫(yī)療

價值7萬億美元的醫(yī)療保健行業(yè)中，英偉達的Project Clara有望通過圖形處理器（GPU）計算來重新定義醫(yī)療成像，基于當前的醫(yī)療儀器實現(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)療領域帶來變革

今年5月，英偉達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)科學官Keith Dreyer探討了AI和醫(yī)學領域的革命。全球1,000多位業(yè)界和學術界領袖在該論壇上分享了AI與醫(yī)療交叉領域的最新創(chuàng)新成果。

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

英偉達的GPU計算平臺CUDA最早就是應用于醫(yī)學成像和生命科學領域。15年前發(fā)明的迭代重建是計算機斷層掃描（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GPU，將輻射降低了82%。

GPU計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)行實時4D成像以查看血液流經(jīng)心臟的過程。

借助英偉達的GPU計算，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的克勞斯·舒爾特計算生物物理學實驗室的生命科學研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)更大規(guī)模的分子動力學仿真，其規(guī)?？蛇_到其他實現(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間節(jié)約方面都實現(xiàn)了突破。

在斯德哥爾摩大學，英偉達GPU助力研究人員Erik Lindahl的RELION成像應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)處于運動過程中的分子，并首次實現(xiàn)在原子水平上觀測生物進程。Cryo-EM被《自然》雜志評選為“年度技術（Method of the Year）”。

醫(yī)學影像研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了深度學習的力量。在去年舉行的前沿醫(yī)學成像會議MICCAI上發(fā)表的論文中，有一半的主題是應用深度學習。目前，我們正在與300多家醫(yī)療保健領域的初創(chuàng)公司合作，致力于通過深度學習應對當前挑戰(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)學成像領域已經(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。

抗生素對抗不了的細菌，GPU幫忙來解決

我們與耐抗生素的細菌正處于激烈對抗中，但借助GPU加速計算的模擬實驗，研究人員將能夠為新療法的研發(fā)指明方向。

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

面對美國疾病控制中心所謂的“噩夢細菌”，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，后抗生素時代“天啟”將要來臨，屆時普通感染、外科手術、肺結(jié)核甚至紙張劃傷都可能使人喪命。

發(fā)表于《科學》雜志的一篇新論文讓人看到了一絲希望。借助GPU加速的超級計算機模擬和實驗室實驗，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，從而打敗當今堪稱無敵的細菌大敵。

▲耐甲氧西林葡萄球菌（洋紅色）↑

“頑強”的葡萄球菌

來自伊利諾伊大學貝克曼研究所和慕尼黑大學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，這種細菌對通常用使用的抗生素沒有反應。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制：一連串螺旋狀排列的氫鍵如同強力膠一樣將細菌蛋白質(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的強度。

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

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，因為細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。慕尼黑大學團隊使用高分辨率原子力顯微鏡，嘗試以物理方式將細菌分子與人類分子分離開來。貝克曼研究所團隊所用的方法是：在伊利諾伊大學由 GPU 驅(qū)動的藍水（Blue Waters）超級計算機上運行2400次分子動力學模擬。

所得結(jié)果完全相同：兩者均表明超強氫鍵是導致MRSA刀槍不入的罪魁禍首。

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，我們可以隨時看到每一個原子，因此我們獲得的詳細信息要比用顯微鏡觀察到的更多?！?/p>

上圖是將細菌蛋白（藍色和綠色）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制。

可能的新療法

Bernardi使用CUDA加速的分子動力學和虛擬化軟件，僅在藍水的GPU節(jié)點上進行實驗。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。”他說，“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)感染的細菌。中央細菌下方的透明結(jié)構(gòu)是將細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。