[論文レビュー] An open tool based on lifex for myofibers generation in cardiac computational models

Pasquale Claudio Africa, Roberto Piersanti+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Cardiovascular Function and Risk Factors被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、心筋線維配向を生成するための新規で高精度かつ使いやすいツールを備えた、オープンソースで高性能な有限要素フレームワークである lifex を提示する。この手法は、ラプラシアン・ディリクレ境界条件に基づくルールベース法（LDRBM）を用い、粗いメッシュでも平均および最大角度誤差が8°未満を達成する。これにより、理想化された幾何形状および患者特異的幾何形状の電気生理学的・力学的・電気力学的シミュレーションへの信頼できる統合が可能となる。

ABSTRACT

Modeling the whole cardiac function involves the solution of several complex multi-physics and multi-scale models that are highly computationally demanding, which call for simpler yet accurate, high-performance computational tools. Despite the efforts made by several research groups, no software for whole-heart fully-coupled cardiac simulations in the scientific community has reached full maturity yet. In this work we present the first publicly released package of lifex, a high-performance Finite Element solver for multi-physics and multi-scale problems developed in the framework of the iHEART project. The goal of lifex is twofold. On the one side, it aims at making in silico experiments easily reproducible and accessible to a wide community of users, including those with a background in medicine or bio-engineering. On the other hand, as an academic research library lifex can be exploited by scientific computing experts to explore new mathematical models and numerical methods within a robust development framework. lifex has been developed with a modular structure and will be released bundled in different modules. The tool presented here proposes an innovative generator for myocardial fibers based on Laplace-Dirichlet Rule-Based Methods, which are the essential building blocks for modeling the electrophysiological, mechanical and electromechanical cardiac function, from single-chamber to whole-heart simulations. This report comes with an extensive technical and mathematical documentation to welcome new users to the core structure of a prototypical lifex application and to provide them with a possible approach to include the generated cardiac fibers into more sophisticated computational pipelines.

研究の動機と目的

• 心筋線維配向を生成するための公開可能で高性能な計算ツールの開発。
• 科学コミュニティにおいて、全心臓器で完全に結合された心臓シミュレーションを実行するための成熟した、アクセス可能で再現可能なソフトウェアの不足に対処すること。
• 医療・バイオエンジニアリング分野のユーザーと科学計算の専門家の両方のニーズに応える、ユーザーおよび開発者フレンドリーなインターフェースの提供。
• 電気生理学的および電気力学的シミュレーションに使用するための、高い正確性とメッシュ収束性を有する線維配向場の確保。
• 今後のモジュラー拡張の基盤を確立し、電気生理学、流体動力学などの追加の心臓モデルや広範な応用分野への対応を可能にする。

提案手法

• 本ツールは、C++17で実装され、強力で並列処理が可能なFEM計算を支援するdeal.IIライブラリを活用した、lifex有限要素フレームワークに基づいている。
• 心膜表面データから線維配向場を計算するために、ラプラシアン・ディリクレ境界条件に基づくルールベース法（LDRBM）を実装している。
• 心膜表面にディリクレ境界条件を課したラプラシアン問題を解き、その解の勾配場を用いて線維方向を定義する。
• 六面体および四面体の非構造化メッシュを両方サポートしており、複雑な患者特異的幾何形状への適用が可能である。
• モジュラー構造となっており、電気生理学、力学、流体動力学を含む、より大きな心臓シミュレーションパイプラインへのシームレスな統合が可能である。
• ユーザーの導入および開発者による貢献を支援するため、包括的な技術的および数学的ドキュメンテーションを併記してリリースされている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高パフォーマンスでオープンソースのツールをどのように開発し、心臓シミュレーションに使用するための正確な心筋線維配向を生成できるか？
• RQ2 LDRBM手法の収束特性および角度精度は、心室幾何形状における異なるメッシュ解像度においてどのように変化するか？
• RQ3 生成された線維配向場は、電気生理学的および電気力学的のようなマルチフィジックス心臓モデルに信頼性を持って統合可能か？
• RQ4 本ツールは、医学・工学分野の非専門家ユーザーと、科学計算分野の専門家開発者の両方をどのように支援するか？
• RQ5 本フレームワークの計算効率およびさまざまなHPCおよびクラウドプラットフォームへの移植性はどの程度か？

主な発見

• LDRBMに基づく線維生成ツールは、最も粗いメッシュでも平均角度誤差が8°未満、最大誤差が8°未満を達成しており、高い正確性と頑健性を示している。
• メッシュ感度解析により、六面体および四面体メッシュの両方、およびさまざまなメッシュ細分化レベルにおいて、線維配向場が安定的かつ正確に保たれていることが確認された。
• 小さな角度誤差は、線維の生理的分散角を著しく下回っており、生物学的に妥当な線維配向場を保証している。
• 組織断面データとの比較による妥当性評価では、本手法が下流のシミュレーションで生理的妥当なバイオマーカーを生成することを示した。
• 本ツールは、複雑な心臓シミュレーションパイプラインへのシームレスな統合を可能にし、単一心腔および全心臓器の両方のシミュレーションをサポートしている。
• lifexフレームワークはネイティブに並列処理が可能で、HPCシステム（例：GALILEO100およびMOXクラスタ）でスケーラブルであり、x86-64 Linuxシステムで利用可能で、非学術的利用についても制限がない。