CHOP يُنمذج قلوب الأطفال باستخدام أدوات الذكاء الاصطناعي المفتوحة المصدر من NVIDIA

مستشفى الأطفال في فيلادلفيا (CHOP) يدير خدمة نمذجة قلبية مبنية على MONAI، وهو إطار تصوير طبي مفتوح المصدر شاركت في تأسيسه شركة NVIDIA، يحول فحوصات التصوير المقطعي (CT) والرنين المغناطيسي (MRI) وصور الموجات فوق الصوتية ثلاثية الأبعاد التي يمتلكها فريق رعاية الطفل إلى نماذج قلبية دقيقة تشريحية، وفقًا لتقرير NVIDIA في 15 سبتمبر 2026. وقالت NVIDIA إن الخدمة تنتج كل نموذج في ثوانٍ، مستبدلةً سير عمل كان يستغرق باحثًا ماهرًا حوالي أربع ساعات، مما يجعل النماذج سريعة بما يكفي للاستخدام السريري الروتيني.

وفقًا لتقارير NVIDIA، حوالي 1٪ من الولادات الحية تشمل عيبًا خلقيًا في القلب، ولا يوجد حالتين متشابهتين. الطفل المولود بفتحة بين حجرات القلب السفلية، أو بصمام يتسرب في الحجرة الوحيدة التي تضخ الدم للحفاظ على حياته، يحتاج إلى رعاية متطابقة مع تشريحه الدقيق، بينما الأدوات التي يستخدمها الجراحون تاريخيًا نادرًا ما تُصمم مع مراعاة هذا الطفل المحدد.

“لديكم طفل فريد من نوعه وجهاز جاهز من الرف»، قال الدكتور ماثيو جولّي، أخصائي القلب والباحث في مستشفى الأطفال في فيلادلفيا، في منشور مدونة NVIDIA. “مهمتنا هي العثور على ما يناسب — والنمذجة تتيح لنا القيام بذلك قبل أن يدخل أي شخص إلى مختبر القسطرة أو غرفة العمليات”.

تقرير NVIDIA يشير إلى انتشار هذا النهج. الآن تعمل برامج نمذجة القلب في أكثر من 20 مستشفى أطفال عبر الولايات المتحدة. في مستشفى بوسطن للأطفال، تدعم النمذجة أكثر من نصف جميع عمليات القلب، بحوالي 500 حالة سنويًا، وتتوقع CHOP الوصول إلى حوالي 200 حالة نمذجة في عام 2026. حيث بدأ العمل في رعاية القلب، تسعى CHOP الآن لتطبيق نفس الأدوات عبر تخصصات متعددة من خلال IDEA Lab، وهو جزء من مركز مورغان للبحث والابتكار بالمستشفى. وصفت معهد أبحاث CHOP مختبر IDEA Lab، المختصر لـ Innovate, Design, Engineer, and Accelerate، بأنه مركزًا أساسيًا في مركز مورغان يقدم موارد التصنيع الحيوي داخل الحرم الجامعي، بقيادة إليزابيث سيلفسترو، د.ف.

من SlicerHeart إلى معيار الرعاية

انضم جولّي إلى CHOP في عام 2015، عندما كانت تصوير الصدى ثلاثي الأبعاد للقلب يبدأ بالظهور. وفقًا لتقارير NVIDIA، كانت الأدوات موجودة لنمذجة صمامات البالغين، لكن لا شيء تقريبًا تم إنشاؤه للتشريحات الصغيرة والمعقدة التي كان يعالجها. قام مختبر جولّي والمجتمع المفتوح المصدر بإنشاء SlicerHeart، وهو امتداد لبرنامج 3D Slicer المفتوح المصدر المستخدم في تصور وتقسيم وتحليل الصور الطبية ثلاثية الأبعاد، وطوّر الفريق سير عمل لنمذجة قلوب الأطفال وصماماتهم من عدة طرق تصويرية.

لسنوات، كان إنتاج نموذج واحد يتطلب من مساعد بحث ماهر قضاء ساعات على محطة عمل. باستخدام MONAI Label وتنفيذ NVIDIA لـ Auto3DSeg، درّب فريق جولّي شبكات تقسيم على أزواج من الصور والنماذج السابقة، وتفيد تقارير NVIDIA أن النتيجة تفي بنفس معيار الجودة الذي ينتجه إنسان مدرب، في ثوانٍ بدلًا من ساعات. قال جولّي إن التعلم الآلي أصبح روتينيًا في المختبر: بمجرد أن يُنشئ الفريق 10 أو 20 زوجًا من الصورة والنموذج، يتم تدريب نموذج ويبدأ تطبيقه.

يصف موقع مشروع MONAI نفسه نظامًا إيكولوجيًا قائمًا على PyTorch وتديره المجتمع لتقنيات الذكاء الاصطناعي في التصوير الطبي: يوفر MONAI Label تعليقات تعلم نشط يمكن ربطها بـ 3D Slicer، بينما يقدم MONAI Core مكتبة التدريب والبحث، ويُعبئ MONAI Deploy النماذج المدربة لأنابيب الاستدلال السريري، مع Auto3DSeg كأحد تطبيقاته المرجعية. يُحافظ على الإطار الباحثون والمهندسون في NVIDIA، NIH، كلية كينغز بلندن، Mayo Clinic، MSKCC، ستانفورد، DKFZ وأكثر من 30 مؤسسة أخرى، ويوزع تحت رخصة Apache 2.0.

وفقًا لتقارير NVIDIA، ظهر الأثر السريري بسرعة. بالنسبة للعيوب الحاجزية البطينية المعقدة، أي الفتحات بين حجرات القلب السفلية، تقوم CHOP الآن بنمذجتها بانتظام قبل الجراحة. في حالة مبكرة واحدة، كان الطفل قد خضع بالفعل لمحاولتين فاشلتين لإصلاح العيب، ولم يتمكن الجراحون من تحديد موقع العيب باستخدام الطرق التقليدية؛ أوضح النموذج ثلاثي الأبعاد التشريح، ونجح الإصلاح من المحاولة الأولى. وقال جولّي إن نمذجة القلب في مثل هذه الحالات انتقلت من البحث إلى معيار الرعاية.

محاكاة الأجهزة قبل الجراحة

لفريق جولّي، يمتد الهدف إلى ما بعد التصور: يرغبون في توقع ما سيحدث عندما يُزرع جهاز داخل قلب الطفل، قبل بدء أي إجراء. يتم تنفيذ هذا العمل على Newton، وهو محرك فيزياء مفتوح المصدر مبني على إطار NVIDIA Warp للغة Python، يُجري محاكاة الفيزياء على وحدات معالجة الرسوميات وكان في الأصل مخصصًا لتدريب الروبوتات عبر الذكاء الاصطناعي القائم على المحاكاة.

تعمل CHOP مع NVIDIA والمجتمع المفتوح المصدر على بناء أطر محاكاة تركز على الميكانيكا الحيوية باستخدام Warp يمكن دمجها في Newton. بمجرد دمجها مع 3D Slicer وSlicerHeart، تهدف هذه الأطر إلى مساعدة الأطباء على فهم خصائص مادة الأنسجة التي تحدد كيفية نشر الجهاز في مريض معين. وتفيد تقارير NVIDIA أن تسريع المعالجة باستخدام GPU يمكن أن يقلل الوقت اللازم لمحاكاة أجهزة القلب من ما يصل إلى أربع ساعات، أو تشغيل كامل طوال الليل لتعدد التكوينات، إلى ما يقرب من الوقت الحقيقي، وهو ما يكفي عمليًا للطبيب لمقارنة كيفية توافق الأجهزة المختلفة مع تشريح الطفل لاتخاذ قرار في نفس اليوم.

بدأت CHOP في تنفيذ الميزات المبنية على Warp و Newton لأجهزة الإغلاق المستخدمة لسد الفتحات في قلوب الأطفال، وتأمل في تطبيق أساليب مماثلة على محاكاة الصمامات عبر القسطرة. يتم ربط بنية المصدر المفتوح لـ Warp و Newton مع SlicerHeart، بهدف طويل الأمد هو إدخال المحاكاة في الوقت الفعلي إلى سير العمل السريري. كما يجري تطوير موصل يستخدم SlicerHeart وNVIDIA Omniverse للتوائم الرقمية، مدعومًا بـ OpenUSD: حيث ستنتقل المحاكاة المبنية من صور المرضى إلى بيئات الواقع الافتراضي التي تحتوي على نماذج رؤية‑لغة مدمجة، مما يسمح للأطباء بالاستعلام والتفاعل مع تشريح القلب لدى الطفل قبل اتخاذ أي إجراء.

اقتصاديات المصدر المفتوح والتحالف الوطني

يعيش حوالي 2.4 مليون شخص في الولايات المتحدة مع مرض القلب الخلقي، وتصف NVIDIA هذه الفئة بأنها تاريخيًا نادرة جدًا ومتنوعة جدًا بحيث لا تجذب استثمارات شركات الأجهزة التقليدية بالدرجة التي تحتاجها العائلات. وقال Jolley إن عدد هؤلاء قليل جدًا لدعم التطوير التجاري التقليدي وفقًا للاقتصاديات العادية، وأن المصدر المفتوح يتحدى تلك الاقتصاديات للسكان الصغار والمتنوعين من خلال السماح بالتعاون والتقدم دون حواجز.

تتوفر أدوات SlicerHeart مجانًا للآخرين لاستخدامها وتوسيعها، ويساهم الباحثون في Stanford وBoston Children’s بأدوات إضافية إلى جانب CHOP. يجري الآن تشكيل تحالف وطني من مستشفيات الأطفال لبناء بنية تحتية مشتركة للنمذجة من الجيل التالي، مع أدوات المصدر المفتوح التي تربط العمل بين المؤسسات المشاركة. صرحت NVIDIA أن استثماراتها وتعاونها على المنصات المفتوحة، بما في ذلك MONAI لتصوير الطب الشرعي بالذكاء الاصطناعي، وNewton لمحاكاة الفيزياء، وOpenUSD للتشغيل المتبادل ثلاثي الأبعاد والواقع الافتراضي، يمنح مختبر مستشفى الأطفال إمكانية الوصول إلى أدوات كانت لتتطلب فريقًا هندسيًا بحجم شركة لتطويرها وصيانتها.