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Chaste Chaste : C ancer, H eart a nd S oft T issue E nvironment Ivan Cenci Computational Biology Group Computing Laboratory, University of Oxford.

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1 Chaste Chaste : C ancer, H eart a nd S oft T issue E nvironment Ivan Cenci Computational Biology Group Computing Laboratory, University of Oxford

2 COSE 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 nodi richiedono 13 ore su un core di un server Intel Xeon 3 GHz con 16 GB di RAM

3 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

4 STORIA DI CHASTE Inizialmente insegnato in un corso di quattro settimane in Software Engineering nel Maggio 2005 Maggio Settembre 2007: attivita part-time di un gruppo di circa 6-10 PhD e post-docs Settembre 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

5 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 righe di codice e righe di test

6 PRESTAZIONI IN PARALLELO Propagazione monodomain in parallelo utilizzando la mesh cardiaca dellUCSD (University of California, San Diego)

7 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

8 OXFORD RABBIT HEART MESH MR Data Acquisition 26.4 X 26.4 X 24.4 μm resolution 11.7 T magnet1024 X 1024 X 2048 voxels Jurgen Schneider, Peter Kohl, Rebecca Burton (Physiology, Cardiovascular Medicine, University of Oxford)

9 OXFORD 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

10 OXFORD 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

11 MONO-BIDOMAIN EQUATIONS AP di singola cellula ( i i )=I m +I stim,i ( e e )=-I m -I stim,e Propagazione nel tessuto: Bidomain equations

12 USE IT! Tools necessari Sistema operativo Linux (almeno per ora) Chaste standalone: file eseguibile scaricabile liberamente da Sorgente da compilare Editor di testo Meshalizer: programma in grado di processare i risultati Non esiste un ambiente di sviluppo!!

13 USE IT! Features delleseguibile 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

14 USE IT! Editing: file XML

15 USE IT! Compilazione

16 USE IT! Visualizzazione risultati

17 SIMULAZIONI

18 MODELLING MULTI-SCALA Ionic currents ECG Whole organ model(s) Cell model(s)

19 INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIO Motivazione ed obiettivo finale: investigare le interazioni elettrotoniche allinterfaccia, con modelli cellulari realistici in geometrie anatomiche realistiche (…) Noble – DiFrancesco cell Mahajan – Shiferaw cell Stimolo unicamente ai nodi di Purkinje 3 mm 0.75 mm Alberto Corrias (Computing Lab, University of Oxford)

20 INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIO Attivazione del miocardio da parte della fibra di Purkinje Alberto Corrias (Computing Lab, University of Oxford) DepolarizzazioneRipolarizzazione

21 INTERFACCIA PURKINJE-MIOCARDIO Il potenziale dazione dei nodi ventricolari varia in dipendenza della distanza dallinterfaccia (lungo lasse della fibra) Alberto Corrias (Computing Lab, University of Oxford)

22 ECG FORWARD PROBLEM Alberto Corrias (Computing Lab, University of Oxford) Ottenere la traccia ECG partendo dai potenziali dazione cardiaci

23 ECG 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 dellapice cardiaco

24 ECG 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 Torso (bath) Propagazione passiva in mezzo resistivo

25 ECG FORWARD PROBLEM Alberto Corrias (Computing Lab, University of Oxford) Simulazioni Extracellular/bath potentials (Φ e )Heart activation (V m )

26 ECG in geometrie semplificate ECG FORWARD PROBLEM Alberto Corrias (Computing Lab, University of Oxford) Surface potential (Φ e ) Control HERG block AP cardiaco ECG (punto rosa)

27 Chaste Chaste : C ancer, H eart a nd S oft T issue E nvironment Ivan Cenci Computational Biology Group Computing Laboratory, University of Oxford

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