HPC在精神分裂症和帕金森症的个性化非侵入性临床治疗中的应用

本文源自HPC365官网：HPC365——超算的云桌面
工程师们通过了解印度国立卫生研究院治疗精神分裂症以及潜在的帕金森病、抑郁症和其他脑部疾病的方法，利用HPC创新技术取代目前高风险的脑侵入手术程序，而采用非侵入性低风险治疗，同时还能节省治疗成本。

精神分裂症是一种严重的精神疾病。其特征是思想不合逻辑，行为语言奇怪，以及会产生妄想或幻觉，科学家们利用计算机模拟中人类大脑的非侵入性经颅电刺激。这项工作证明计算建模和模拟，在改善精神分裂症和其他神经精神疾病中人类大脑的非侵入性电刺激的高价值作用。加入HPC之后，临床医生现在不用侵入大脑即可以精确地靶向临床区域而不影响健康大脑的主要部分。HPC模拟由印度NIMHANS国家心理健康与神经科学研究所，Dassault SIMULIA，Advania数据中心和UberCloud共同完成，并由Hewlett Packard Enterprise和Intel提供赞助。

图1：电刺激模式的示意图。

面临的问题

神经调节是指通过人工刺激（例如电流或化学试剂）引起的神经活动。它可能涉及诸如脊髓刺激或脑深部刺激之类的（高风险的）侵入性方法，其中电极直接植入要被刺激的神经上。它也可以使用诸如电刺激的方法非侵入地进行，其中外部电极在不需要手术植入的情况下诱导所需的神经活动变化，但是其中通过头皮安装的电极向头部施加低强度（mA）电流，如图1所示。用置于选定皮质区域上方的负极（阴极）刺激将降低电极下的神经元活动，而用正极（阳极）刺激将增加电极下的神经元活动。因此，该方法可用于引起特定脑区域中的皮质脑活动，或者可选地降低过度兴奋区域中的活动。该过程简单，经济且便携，人们可以在完全清醒下操作，相比其他的方法还降低了不适感。

Advania Cloud中的HPC脑模拟

Advania数据中心云平台上的多物理技术的强大功能使我们能够通过在头皮上放置两组电极来模拟深部脑刺激，从而在大脑灰质内部产生时间干扰。然而，在使用该方法实时地为临床医生提供并且还减少总体计算工作量时需要后处理中的基本定制水平，其中医生可以选择两个预先计算的电极对的电场以在特定时间产生时间干扰。

在开发了令人满意的3D头/脑模型之后，使用Simpleware ScanIP和ScanCAD模块使用10/10国际公约进行电极放置，阳极位于AF3，阴极位于CP5（图2）。最后，使用ScanIP和ScanFE模块生成高分辨率四面体FE网格（元素大小= 1mm3）。

图2：国际10/10公约（左）显示阳极AF3（红色）和阴极CP5（蓝色）;特定主题模型（右）。

考虑了高保真有限元人体头部模型，包括皮肤，颅骨，脑脊液，鼻窦灰质和白质，这需要高计算资源来尝试各种电极配置。访问Advania的HPE集群和UberCloud HPC容器中的SIMULIA的Abaqus 2017代码，使我们能够模拟电极放置和尺寸的多种配置。这也使我们能够研究电极放置和尺寸的灵敏度，这在我们的内部工作站和HPC系统之前是不可能的。

在生产阶段后期，工程师们在具有2x Intel Broadwell E5-2683 v4和Intel OmniPath互连的HPE ProLiant服务器XL230 Gen9的Advania / UberCloud HPC群集上运行了26个不同的SIMULIA Abaqus作业，每个作业代表不同的电极配置。每项工作包含1.8M有限元。在我们自己的具有16个核心的集群上，单次运行大约需要75分钟，而在UberCloud集群上，单个运行在24个核心上需要大约28分钟。因此，作业在UberCloud / Advania上获得了显着的加速。

图3的结果是叠加的两组电场产生时间干扰。左：从放置在头皮的前颞区域的左侧和右侧的电极产生的电场。右：从放置在头皮的前后区域左侧的电极产生的电场。

图3：结果显示了头皮上两个不同电极位置的大脑深处的时间干扰区域的灵敏度。

结论

本案例研究中讨论的HPC应用以非侵入性方式取得了深部脑刺激的技术突破，有可能取代精神分裂症和帕金森氏症等高风险的侵入式脑外科手术。应用HPC仿真的好处是：

（i）它们以高分辨率预测电流分布;

（ii）提供了个性化和可量化的治疗;

（iii）促进电极变化;

（iv）临床医生可以为特定患者设计最有效的治疗方法。