[论文解读] Towards Blood Flow in the Virtual Human: Efficient Self-Coupling of HemeLB

J. W. S. McCullough, Robin A. Richardson+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 29被引用 1

一句话总结

本文提出了一种针对 HemeLB 拉普拉斯玻尔兹曼代码的高效自耦合策略，实现了在完整人体规模动脉和静脉血管树上的高保真度 3D 血流模拟。通过优化内存管理、负载均衡和 MPI 通信，该方法在超过 100,000 个核心上实现了近线性扩展，并成功实现了大规模下动脉与静脉血流的耦合，标志着向在百亿亿次系统上模拟完整虚拟人体迈出了关键一步。

ABSTRACT

Many scientific and medical researchers are working towards the creation of a virtual human - a personalised digital copy of an individual - that will assist in a patient's diagnosis, treatment and recovery. The complex nature of living systems means that the development of this remains a major challenge. We describe progress in enabling the HemeLB lattice Boltzmann code to simulate 3D macroscopic blood flow on a full human scale. Significant developments in memory management and load balancing allow near linear scaling performance of the code on hundreds of thousands of computer cores. Integral to the construction of a virtual human, we also outline the implementation of a self-coupling strategy for HemeLB. This allows simultaneous simulation of arterial and venous vascular trees based on human-specific geometries.

研究动机与目标

• 使用 HemeLB 拉普拉斯玻尔兹曼代码，实现对完整人体规模血管树的高保真度 3D 血流模拟。
• 克服在百亿亿次架构上大规模模拟时的内存管理与负载均衡计算瓶颈。
• 实现并验证一种自耦合策略，通过患者特异性几何结构同步模拟动脉与静脉血流动力学。
• 证明在整个人体血管系统规模上模拟复杂耦合血流动力学的可行性。
• 为未来 HemeLB 向完整、多尺度虚拟人体模型的验证与扩展奠定基础。

提出的方法

• 将 HemeLB 适配为使用下一代 MPI，以在分布式内存系统中实现高效的大数据通信。
• 实施先进的内存管理与负载均衡技术，以优化大规模 CPU 集群上的性能。
• 开发了自耦合框架，使独立的 HemeLB 实例能够通过动脉与静脉血管树之间的共享边界界面交换流动数据。
• 使用从医学影像重建的患者特异性 3D 血管几何结构来定义动脉与静脉区域。
• 应用格子玻尔兹曼方法在复杂、稀疏的血管几何结构中求解纳维-斯托克斯方程，实现高空间分辨率。
• 在人体下肢血管系统上开展概念验证模拟，以验证耦合稳定性和可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当模拟完整人体规模血流时，HemeLB 是否能在超过 100,000 个 CPU 核上实现近线性扩展？
• RQ2 通过 HemeLB 的自耦合，动脉与静脉血管树在单次模拟中能否实现高效耦合？
• RQ3 在耦合多个 HemeLB 实例时，会出现哪些性能瓶颈，如何加以缓解？
• RQ4 自耦合策略能否在大规模下准确重构血流动力学特征，如壁面剪切应力与血流分布？
• RQ5 为将该方法扩展至完整虚拟人体模型，需要哪些计算与算法改进？

主要发现

• HemeLB 在最多 100,000 个 CPU 核上实现了近线性扩展性能，证明了其在大规模 3D 血流模拟中的强可扩展性。
• 自耦合策略成功在动脉与静脉血管树之间数百个边界点上传输流动数据，实现了同步模拟。
• 该方法实现了对具有超过 10^10 个格点的人体规模血管几何结构的模拟，接近实现完整虚拟人体建模所需的规模。
• 通过优化 MPI 行为和简化内部数据结构，该实现降低了通信开销，提升了整体效率。
• 在人体下肢血管系统上的概念验证模拟成功再现了预期的动态血流特征，包括复杂的速度与剪切应力分布。
• 本研究为未来与生理数据的对比验证，以及向多尺度、多物理场虚拟人体模拟的扩展奠定了基础。