Chaste:
Cancer, Heart and Soft Tissue Environment
Ivan Cenci
Computational Biology Group
Computing Laboratory, University of Oxford
COS’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 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 CHASTE
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•
•
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 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 PARALLELO
•
Propagazione monodomain in parallelo utilizzando la mesh cardiaca
dell’UCSD (University of California, San Diego)
MESH 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 MESH
•
MR Data Acquisition
•11.7 T magnet
•1024 X 1024 X 2048
voxels
•26.4 X 26.4 X 24.4 μm
resolution
Jurgen Schneider, Peter Kohl, Rebecca Burton
(Physiology, Cardiovascular Medicine, University of Oxford)
OXFORD RABBIT HEART MESH
•
Segmentazione delle immagini
• Discriminazione del tessuto dal volume di background
• Applicazione di tre filtri di segmentazione
Martin Bishop, Vicente Grau
(Computing Lab, Engineering/OeRC, University of Oxford)
OXFORD RABBIT HEART MESH
•
Generazione della mesh
• ~ 4 milioni di vertici
• ~ 20 milioni di tetraedri
• ~ 1 milione di triangoli
di bounding
Blood vessels
Valves
Papillary muscles
Martin Bishop, Vicente Grau
(Computing Lab, Engineering/OeRC, University of Oxford)
MONO-BIDOMAIN EQUATIONS
•
AP di singola cellula
Propagazione nel tessuto:
Bidomain equations
dVm
I stim  C
 I ion
dt
(ii)=Im+Istim,i
I ion  I Na  I Ca  I K
(ee)=-Im-Istim,e
60
40
20
V (mV)
•
0
-20
-40
-60
-80
-100
17.4
17.7
18
time (s)
18.3
18.6
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!!
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!
•
Editing: file XML
USE IT!
•
Compilazione
USE IT!
•
Visualizzazione
risultati
SIMULAZIONI
MODELLING MULTI-SCALA
Cell model(s)
Ionic currents
Whole organ model(s)
ECG
INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIO
•
Motivazione ed obiettivo finale: investigare le interazioni elettrotoniche
all’interfaccia, con modelli cellulari realistici in geometrie anatomiche
realistiche (…)
•
Noble – DiFrancesco cell
•
Mahajan – Shiferaw cell
0.75 mm
3 mm
3 mm
Alberto Corrias
(Computing Lab, University of Oxford)
Stimolo unicamente
ai nodi di Purkinje
INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIO
•
Attivazione del miocardio da parte della fibra di Purkinje
• Depolarizzazione
Alberto Corrias
(Computing Lab, University of Oxford)
• Ripolarizzazione
INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIO
•
Il potenziale d’azione dei nodi ventricolari varia in dipendenza della
distanza dall’interfaccia (lungo l’asse della fibra)
Alberto Corrias
(Computing Lab, University of Oxford)
ECG FORWARD PROBLEM
•
Ottenere la traccia ECG partendo dai potenziali d’azione cardiaci
Alberto Corrias
(Computing Lab, University of Oxford)
ECG FORWARD PROBLEM
•
Geometria semplificata: (piccola) ellissoide troncata contenente il
modello cellulare Faber-Rudy in un (piccolo) volume di controllo
Sezione trasversale
Stimolazione dell’apice cardiaco
Alberto Corrias
(Computing Lab, University of Oxford)
ECG FORWARD PROBLEM
Approccio accoppiato: risoluzione del set di equazioni (con condizioni
al contorno) per ogni time step
Torso
(bath)
Cuore
•
Propagazione passiva
in mezzo resistivo
Alberto Corrias
(Computing Lab, University of Oxford)
ECG FORWARD PROBLEM
•
Simulazioni
• Heart activation (Vm)
Alberto Corrias
(Computing Lab, University of Oxford)
• Extracellular/bath potentials (Φe)
•
ECG in geometrie semplificate
• Surface potential (Φe)
Alberto Corrias
(Computing Lab, University of Oxford)
ECG (punto rosa) AP cardiaco
ECG FORWARD PROBLEM
Control
HERG block
Chaste:
Cancer, Heart and Soft Tissue Environment
Ivan Cenci
Computational Biology Group
Computing Laboratory, University of Oxford