本文源自HPC365官網：HPC365——超算的雲桌面
工程師們通過了解印度國立衛生研究院治療精神分裂症以及潛在的帕金森病、抑郁症和其他腦部疾病的方法，利用HPC創新技術取代目前高風險的腦侵入手術程式，而采用非侵入性低風險治療，同時還能節省治療成本。
精神分裂症是一種嚴重的精神疾病。其特征是思想不合邏輯，行為語言奇怪，以及會産生妄想或幻覺，科學家們利用計算機模拟中人類大腦的非侵入性經顱電刺激。這項工作證明計算模組化和模拟，在改善精神分裂症和其他神經精神疾病中人類大腦的非侵入性電刺激的高價值作用。加入HPC之後，臨床醫生現在不用侵入大腦即可以精确地靶向臨床區域而不影響健康大腦的主要部分。HPC模拟由印度NIMHANS國家心理健康與神經科學研究所，Dassault SIMULIA，Advania資料中心和UberCloud共同完成，并由Hewlett Packard Enterprise和Intel提供贊助。
圖1：電刺激模式的示意圖。
面臨的問題
神經調節是指通過人工刺激（例如電流或化學試劑）引起的神經活動。它可能涉及諸如脊髓刺激或腦深部刺激之類的（高風險的）侵入性方法，其中電極直接植入要被刺激的神經上。它也可以使用諸如電刺激的方法非侵入地進行，其中外部電極在不需要手術植入的情況下誘導所需的神經活動變化，但是其中通過頭皮安裝的電極向頭部施加低強度（mA）電流，如圖1所示。用置于標明皮質區域上方的負極（陰極）刺激将降低電極下的神經元活動，而用正極（陽極）刺激将增加電極下的神經元活動。是以，該方法可用于引起特定腦區域中的皮質腦活動，或者可選地降低過度興奮區域中的活動。該過程簡單，經濟且便攜，人們可以在完全清醒下操作，相比其他的方法還降低了不适感。
Advania Cloud中的HPC腦模拟
Advania資料中心雲平台上的多實體技術的強大功能使我們能夠通過在頭皮上放置兩組電極來模拟深部腦刺激，進而在大腦灰質内部産生時間幹擾。然而，在使用該方法實時地為臨床醫生提供并且還減少總體計算工作量時需要後進行中的基本定制水準，其中醫生可以選擇兩個預先計算的電極對的電場以在特定時間産生時間幹擾。
在開發了令人滿意的3D頭/腦模型之後，使用Simpleware ScanIP和ScanCAD子產品使用10/10國際公約進行電極放置，陽極位于AF3，陰極位于CP5（圖2）。最後，使用ScanIP和ScanFE子產品生成高分辨率四面體FE網格（元素大小= 1mm3）。
圖2：國際10/10公約（左）顯示陽極AF3（紅色）和陰極CP5（藍色）;特定主題模型（右）。
考慮了高保真有限元人體頭部模型，包括皮膚，顱骨，腦脊液，鼻窦灰質和白質，這需要高計算資源來嘗試各種電極配置。通路Advania的HPE叢集和UberCloud HPC容器中的SIMULIA的Abaqus 2017代碼，使我們能夠模拟電極放置和尺寸的多種配置。這也使我們能夠研究電極放置和尺寸的靈敏度，這在我們的内部工作站和HPC系統之前是不可能的。
在生産階段後期，工程師們在具有2x Intel Broadwell E5-2683 v4和Intel OmniPath互連的HPE ProLiant伺服器XL230 Gen9的Advania / UberCloud HPC群集上運作了26個不同的SIMULIA Abaqus作業，每個作業代表不同的電極配置。每項工作包含1.8M有限元。在我們自己的具有16個核心的叢集上，單次運作大約需要75分鐘，而在UberCloud叢集上，單個運作在24個核心上需要大約28分鐘。是以，作業在UberCloud / Advania上獲得了顯着的加速。
圖3的結果是疊加的兩組電場産生時間幹擾。左：從放置在頭皮的前颞區域的左側和右側的電極産生的電場。右：從放置在頭皮的前後區域左側的電極産生的電場。
圖3：結果顯示了頭皮上兩個不同電極位置的大腦深處的時間幹擾區域的靈敏度。
結論
本案例研究中讨論的HPC應用以非侵入性方式取得了深部腦刺激的技術突破，有可能取代精神分裂症和帕金森氏症等高風險的侵入式腦外科手術。應用HPC仿真的好處是：
（i）它們以高分辨率預測電流分布;
（ii）提供了個性化和可量化的治療;
（iii）促進電極變化;
（iv）臨床醫生可以為特定患者設計最有效的治療方法。