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ChasteChaste:
CCancer, ancer, HHeart eart aand nd SSoft oft TTissue issue EEnvironmentnvironment
Ivan Cenci
Computational Biology Group
Computing Laboratory, University of Oxford
COS’E’ CHASTECOS’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 APPLICAZIONIATTUALI 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 CHASTESTORIA DI CHASTE
• 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 CODICECARATTERISTICHE 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 PARALLELOPRESTAZIONI IN PARALLELO
• Propagazione monodomain in parallelo utilizzando la mesh cardiaca dell’UCSD (University of California, San Diego)
MESH AD ELEMENTI FINITIMESH 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 MESHOXFORD RABBIT HEART MESH
• MR Data Acquisition
•26.4 X 26.4 X 24.4 μm resolution
•11.7 T magnet •1024 X 1024 X 2048 voxels
Jurgen Schneider, Peter Kohl, Rebecca Burton(Physiology, Cardiovascular Medicine, University of Oxford)
OXFORD RABBIT HEART MESHOXFORD RABBIT HEART MESH
• Segmentazione delle immagini
Martin Bishop, Vicente Grau(Computing Lab, Engineering/OeRC, University of Oxford)
• Discriminazione del tessuto dal volume di background• Applicazione di tre filtri di segmentazione
OXFORD RABBIT HEART MESHOXFORD RABBIT HEART MESH
Blood vessels
Papillary muscles
Valves
• Generazione della mesh
Martin Bishop, Vicente Grau(Computing Lab, Engineering/OeRC, University of Oxford)
• ~ 4 milioni di vertici• ~ 20 milioni di
tetraedri• ~ 1 milione di
triangoli di bounding
MONO-BIDOMAIN EQUATIONSMONO-BIDOMAIN EQUATIONS
• AP di singola cellula
(ii)=Im+Istim,i
(ee)=-Im-Istim,e
ionm
stim Idt
dVCI
KCaNaion IIII
17.4 17.7 18 18.3 18.6-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
time (s)
V (
mV
)
• Propagazione nel tessuto: Bidomain equations
USE IT!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!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!USE IT!
• Editing: file XML
ChasteParameters.xml
USE IT!USE IT!
• Compilazione
USE IT!USE IT!
• Visualizzazionerisultati
SIMULAZIONISIMULAZIONI
MODELLING MULTI-SCALAMODELLING MULTI-SCALA
Ionic currents
ECG
Whole organ model(s)
Cell model(s)
INTERFACCIA PURKINJE-INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIOMIOCARDIO
• Motivazione ed obiettivo finale: investigare le interazioni elettrotoniche all’interfaccia, con modelli cellulari realistici in geometrie anatomiche realistiche (…)
• Noble – DiFrancesco cell
• Mahajan – Shiferaw cell
Stimolo unicamenteai nodi di Purkinje
3 mm3 mm
0.75 mm
Alberto Corrias(Computing Lab, University of Oxford)
INTERFACCIA PURKINJE-INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIOMIOCARDIO
• Attivazione del miocardio da parte della fibra di Purkinje
Alberto Corrias(Computing Lab, University of Oxford)
• Depolarizzazione • Ripolarizzazione
INTERFACCIA PURKINJE-INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIOMIOCARDIO
• 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 PROBLEMECG FORWARD PROBLEM
Alberto Corrias(Computing Lab, University of Oxford)
• Ottenere la traccia ECG partendo dai potenziali d’azione cardiaci
ECG FORWARD PROBLEMECG FORWARD PROBLEM
• Geometria semplificata: (piccola) ellissoide troncata contenente il modello cellulare Faber-Rudy in un (piccolo) volume di controllo
Alberto Corrias(Computing Lab, University of Oxford)
Sezione trasversale
Stimolazione dell’apice cardiaco
ECG FORWARD PROBLEMECG FORWARD PROBLEM
• Approccio accoppiato: risoluzione del set di equazioni (con condizioni al contorno) per ogni time step
Alberto Corrias(Computing Lab, University of Oxford)
Cuore
Tors
o(b
ath
)
Propagazione passivain mezzo resistivo
ECG FORWARD PROBLEMECG FORWARD PROBLEM
Alberto Corrias(Computing Lab, University of Oxford)
• Simulazioni
• Extracellular/bath potentials (Φe)• Heart activation (Vm)
• ECG in geometrie semplificate
ECG FORWARD PROBLEMECG FORWARD PROBLEM
Alberto Corrias(Computing Lab, University of Oxford)
• Surface potential (Φe) ControlHERG block
AP c
ard
iaco
EC
G (
punto
rosa
)
ChasteChaste:
CCancer, ancer, HHeart eart aand nd SSoft oft TTissue issue EEnvironmentnvironment
Ivan Cenci
Computational Biology Group
Computing Laboratory, University of Oxford