[논문 리뷰] An open tool based on lifex for myofibers generation in cardiac computational models

Pasquale Claudio Africa, Roberto Piersanti외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 10.

Cardiovascular Function and Risk Factors인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 심장 생물역학 모델링을 위한 오픈소스이자 고성능 유한요소 프레임워크인 lifex를 제시한다. 특히 라플라스-디리클레 규칙 기반 방법(LDRBM)을 활용해 심장 근육 섬유 방향을 생성하는 새로운 정확하고 사용자 친화적인 도구에 초점을 맞추고 있다. 이 방법은 조밀한 메시에서도 평균 및 최대 각도 오차가 8° 이내로 유지되어, 이상화된 구조와 환자 특화 기하구조에서 전기생리학적, 기계적, 전기기계적 시뮬레이션에 신뢰성 있게 통합될 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 심장 모델에서 심장 근육 섬유 방향을 생성하기 위한 공개 가능하고 고성능의 계산 도구를 개발하기 위해.
• 과학 공동체 내에서 전체 심장, 완전히 결합된 심장 시뮬레이션을 위한 성숙하고 접근 가능하며 재현 가능한 소프트웨어의 부족을 해결하기 위해.
• 의료 및 생체공학 전문가와 과학 계산 전문가 모두가 사용할 수 있는 사용자 및 개발자 友好的 인터페이스를 제공하기 위해.
• 전기생리학적 및 전기기계적 시뮬레이션에 사용하기 위한 섬유 방향 필드의 높은 정확도와 메시 수렴성을 확보하기 위해.
• 향후 lifex의 모듈식 확장을 통해 전기생리학, 유체역학 등 추가 심장 모델과 더 넓은 적용 분야를 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 도구는 C++17로 구현된 lifex 유한요소 프레임워크를 기반으로 하며, 강력하고 병렬 처리 가능한 FEM 계산을 위해 deal.II 라이브러리를 활용한다.
• 심내막 및 심외막 표면 데이터로부터 섬유 방향 필드를 계산하기 위해 라플라스-디리클레 규칙 기반 방법(LDRBM)을 구현한다.
• 심내막 및 심외막 표면에 디리클레 경계 조건을 적용한 라플라스 문제를 해결하며, 그 해를 기반으로 기울기 필드를 통해 섬유 방향을 정의한다.
• 정육면체 및 사면체 비구조 메시를 모두 지원하여 복잡한 환자 특화 기하구조에의 적용을 가능하게 한다.
• 모듈식 설계로 전기생리학, 기계학, 유체역학을 포함한 더 큰 심장 시뮬레이션 파이프라인에 원활하게 통합될 수 있도록 설계되었다.
• 사용자 온보딩과 개발자 기여를 지원하기 위해 광범위한 기술적 및 수학적 문서가 함께 제공된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 정확한 심장 근육 섬유 방향을 생성하기 위한 고성능 오픈소스 도구를 개발할 수 있는가?
• RQ2 LDRBM 방법의 수렴 성향과 다양한 메시 해상도에서 심실 기하구조에서의 각도 정확도는 어떠한가?
• RQ3 생성된 섬유 필드는 전기생리학 및 전기기계학과 같은 다중 물리 모델에 신뢰성 있게 통합될 수 있는가?
• RQ4 이 도구는 의료 및 공학 분야의 비전문가 사용자와 과학 계산 전문 개발자 양쪽 모두를 어떻게 지원하는가?
• RQ5 이 프레임워크는 다양한 HPC 및 클라우드 플랫폼에서 계산 효율성과 이식성은 어떠한가?

주요 결과

• LDRBM 기반 섬유 생성기는 가장 조밀한 메시에서도 평균 각도 오차가 8° 이하, 최대 오차가 8° 이내로 유지되어 높은 정확도와 강건성을 입증하였다.
• 메시 민감도 분석을 통해 정육면체 및 사면체 메시 유형과 다양한 메시 정밀도에서 섬유 방향 필드가 안정적이고 정확하게 유지됨을 확인하였다.
• 낮은 각도 오차는 섬유의 생리학적 산산각도 이하로, 생물학적으로 타당한 섬유 필드를 보장한다.
• 해부학적 데이터와의 검증을 통해, 생성된 섬유 필드는 후속 시뮬레이션에서 생리학적으로 정확한 생물학적 지표를 도출함을 입증하였다.
• 이 도구는 복잡한 심장 시뮬레이션 파이프라인에 원활하게 통합되며, 단일 심장실 및 전체 심장 시뮬레이션을 모두 지원한다.
• lifex 프레임워크는 네이티브로 병렬 처리가 가능하며, HPC 시스템(예: GALILEO100 및 MOX 클러스터)에서 확장 가능하며, x86-64 리눅스 시스템에서 비학술적 사용 제한 없이 이용 가능하다.