[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出 lifex，一个开源、高性能的有限元框架，用于心脏计算建模，重点是利用拉普拉斯-狄利克雷规则化方法（LDRBM）开发一种新颖、精确且用户友好的心肌纤维取向生成工具。该方法即使在粗网格上也能实现低于8°的平均和最大角度误差，从而可可靠地集成到理想化和患者特异性几何结构的电生理、力学及电机械模拟中。

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.

研究动机与目标

• 开发一种公开可用、高性能的计算工具，用于生成心脏模型中的心肌纤维取向。
• 解决科学界在全心脏、全耦合心脏模拟中缺乏成熟、可访问且可复现的软件的问题。
• 提供用户友好和开发者友好的接口，同时支持医学/生物工程用户和科学计算专家。
• 确保纤维取向场在电生理和电机械模拟中具有高精度和网格收敛性。
• 为lifex未来模块化扩展奠定基础，以支持更多心脏模型（如电生理学、流体动力学）和更广泛的应用。

提出的方法

• 该工具基于lifex有限元框架构建，使用C++17实现，并利用deal.II库进行高效、并行化的有限元计算。
• 实现了拉普拉斯-狄利克雷规则化方法（LDRBM），从心内膜和心外膜表面数据计算纤维取向场。
• 该方法在心内膜和心外膜表面施加狄利克雷边界条件求解拉普拉斯问题，利用解的梯度场定义纤维方向。
• 该框架支持六面体和四面体非结构化网格，适用于复杂、患者特异性几何结构。
• 该实现具有模块化设计，可无缝集成到涉及电生理学、力学和流体动力学的大型心脏模拟流程中。
• 该工具随附详尽的技术和数学文档，以支持用户快速上手和开发者贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何开发一种高性能、开源的工具，用于生成心脏模拟中使用的精确心肌纤维取向？
• RQ2 LDRBM方法在不同网格分辨率下的收敛行为和角度精度如何，特别是在心室几何结构中？
• RQ3 生成的纤维场能否可靠地集成到多物理场心脏模型（如电生理学和电机械学）中？
• RQ4 该工具如何同时支持医学和工程领域的非专家用户以及科学计算专家？
• RQ5 该框架在不同HPC和云平台上的计算效率和可移植性如何？

主要发现

• 基于LDRBM的纤维生成器在最粗糙网格上仍能实现平均角度误差小于8°、最大误差低于8°，表明其具有高精度和强鲁棒性。
• 网格敏感性分析表明，纤维取向场在不同网格类型（六面体和四面体）和细化级别下均保持稳定和精确。
• 微小的角度误差远低于纤维的生理分散角度，确保了纤维场的生物学合理性。
• 该方法经组织学数据验证，生成的纤维场在后续模拟中能产生生理上准确的生物标志物。
• 该工具可无缝集成到复杂的全心脏模拟流程中，支持单腔室和全心脏模拟。
• lifex框架原生支持并行计算，在HPC系统（如GALILEO100和MOX集群）上可扩展，并可在x86-64 Linux系统上使用，无非学术用途限制。