chaste chaste : c ancer, h eart a nd s oft t issue e nvironment ivan cenci computational biology...

ChasteChaste:

CCancer, ancer, HHeart eart aand nd SSoft oft TTissue issue EEnvironmentnvironment

Ivan Cenci

Computational Biology Group

Computing Laboratory, University of Oxford

COS’E’ CHASTECOS’E’ CHASTE

• Package di simulazione rivolto a problemi multi-scala e con un alto costo computazionale negli ambiti di biologia e fisiologia

• Simulazioni su singola cellula o tessuto: a partire da un modello matematico cellulare e’ possibile estendere lo studio a pool di cellule con disposizione spaziale e caratteristiche qualsiasi

• Attenzione focalizzata sulla riduzione dei tempi di simulazione, uno dei principali limiti della Computational Biology: 30 ms di propagazione simulati su una mesh di 3717056 nodi richiedono 13 ore su un core di un server Intel Xeon 3 GHz con 16 GB di RAM

ATTUALI APPLICAZIONIATTUALI APPLICAZIONI

• Cardiologia• Simulazioni monodomain e bidomain per un ampio range di

problemi pratici• Efficiente implementazione in parallelo per simulazioni su

processori multi-core• Open source release disponibile sotto licenza GNU LGLP

• Meccanica di tessuti molli• Elasticita’ non lineare (in dipendenza dalla deformazione)• Possibilita’ di utilizzare diversi modelli cellulari in diverse zone

dello spazio

• Cancro• Attenzione su cancro colorettale e sferoidi tumorali• Vasta gamma di modelli cellulari ed equazioni di campo

STORIA DI CHASTESTORIA DI CHASTE

• Inizialmente insegnato in un corso di quattro settimane in Software Engineering nel Maggio 2005

• Maggio 2005 - Settembre 2007: attivita’ part-time di un gruppo di circa 6-10 PhD e post-docs

• Settembre 2007 - Ora: stanziamento di fondi per permettere uno sviluppo full-time

• Il lavoro rimane principalmente focalizzato su elettrofisiologia cardiaca, modellazione di tessuti molli (inclusa elettro-meccanica cardiaca) e modellazione di tumori

CARATTERISTICHE DEL CODICECARATTERISTICHE DEL CODICE

• Questioni di ingegneria del software• Programmazione Object-oriented• Linguaggio C++

• Metodologia “agile”• Iterazioni: piccoli progetti di breve durata• Pair programming• Test-driven• Frequenti meetings

• Il codice base attualmente contiene circa 119974 righe di codice e 69737 righe di test

PRESTAZIONI IN PARALLELOPRESTAZIONI IN PARALLELO

• Propagazione monodomain in parallelo utilizzando la mesh cardiaca dell’UCSD (University of California, San Diego)

MESH AD ELEMENTI FINITIMESH AD ELEMENTI FINITI

• Insieme di vertici, lati e facce che definisce forma e proprieta’ di un oggetto mono-bi-tridimensionale

• Noble – DiFrancesco cell

• Mahajan – Shiferaw cell

OXFORD RABBIT HEART MESHOXFORD RABBIT HEART MESH

• MR Data Acquisition

•26.4 X 26.4 X 24.4 μm resolution

•11.7 T magnet •1024 X 1024 X 2048 voxels

Jurgen Schneider, Peter Kohl, Rebecca Burton(Physiology, Cardiovascular Medicine, University of Oxford)


• Segmentazione delle immagini

Martin Bishop, Vicente Grau(Computing Lab, Engineering/OeRC, University of Oxford)

• Discriminazione del tessuto dal volume di background• Applicazione di tre filtri di segmentazione


Blood vessels

Papillary muscles

Valves

• Generazione della mesh

Martin Bishop, Vicente Grau(Computing Lab, Engineering/OeRC, University of Oxford)

• ~ 4 milioni di vertici• ~ 20 milioni di

tetraedri• ~ 1 milione di

triangoli di bounding

MONO-BIDOMAIN EQUATIONSMONO-BIDOMAIN EQUATIONS

• AP di singola cellula

(ii)=Im+Istim,i

(ee)=-Im-Istim,e

ionm

stim Idt

dVCI

KCaNaion IIII

17.4 17.7 18 18.3 18.6-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

time (s)

V (

mV

)

• Propagazione nel tessuto: Bidomain equations

USE IT!USE IT!

• Tools necessari• Sistema operativo Linux (almeno per ora)• Chaste “standalone”: file eseguibile scaricabile liberamente da

http://web.comlab.ox.ac.uk/chaste/• Sorgente da compilare• Editor di testo• Meshalizer: programma in grado di processare i risultati

• Non esiste un ambiente di sviluppo!!

http://web.comlab.ox.ac.uk/chaste/

USE IT!USE IT!

• Features dell’eseguibile

• Simulazioni monodomain e bidomain

• Costruzione di mesh elementari o lettura di mesh esterne

• Run in parallelo su processori multicore

• Possibilita’ di utilizzare stimoli multipli

• Eterogeneita’ nei parametri dei modelli cellulari e nelle conduttivita’

• Numero limitato di modelli cellulari disponibili (work in progress)

• Risultati pronti per essere letti da Meshalizer

USE IT!USE IT!

• Editing: file XML

ChasteParameters.xml

USE IT!USE IT!

• Compilazione

USE IT!USE IT!

• Visualizzazionerisultati

SIMULAZIONISIMULAZIONI

MODELLING MULTI-SCALAMODELLING MULTI-SCALA

Ionic currents

ECG

Whole organ model(s)

Cell model(s)

INTERFACCIA PURKINJE-INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIOMIOCARDIO

• Motivazione ed obiettivo finale: investigare le interazioni elettrotoniche all’interfaccia, con modelli cellulari realistici in geometrie anatomiche realistiche (…)

• Noble – DiFrancesco cell

• Mahajan – Shiferaw cell

Stimolo unicamenteai nodi di Purkinje

3 mm3 mm

0.75 mm

Alberto Corrias(Computing Lab, University of Oxford)


• Attivazione del miocardio da parte della fibra di Purkinje


• Depolarizzazione • Ripolarizzazione


• Il potenziale d’azione dei nodi ventricolari varia in dipendenza della distanza dall’interfaccia (lungo l’asse della fibra)


ECG FORWARD PROBLEMECG FORWARD PROBLEM


• Ottenere la traccia ECG partendo dai potenziali d’azione cardiaci


• Geometria semplificata: (piccola) ellissoide troncata contenente il modello cellulare Faber-Rudy in un (piccolo) volume di controllo


Sezione trasversale

Stimolazione dell’apice cardiaco


• Approccio accoppiato: risoluzione del set di equazioni (con condizioni al contorno) per ogni time step


Cuore

Tors

o(b

ath

)

Propagazione passivain mezzo resistivo



• Simulazioni

• Extracellular/bath potentials (Φe)• Heart activation (Vm)

• ECG in geometrie semplificate



• Surface potential (Φe) ControlHERG block

AP c

ard

iaco

EC

G (

punto

rosa

)

ChasteChaste:

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Computing Laboratory, University of Oxford

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