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时空多级正交方法及其在心脏电生理学中的应用。 (英语) Zbl 07787066号

摘要:我们提出了一种新的方法,旨在对心脏电生理模拟进行高性能的不确定性量化。利用单域方程来模拟心脏细胞内的跨膜电位,我们评估了心脏纤维的空间相关扰动对产生的感兴趣量统计的影响。我们的方法依赖于多层求积方法、并行迭代求解器和时空有限元离散化的紧密集成,允许在空间、时间和随机性方面实现完全并行化的框架。为了评估收敛速度和比较经典蒙特卡罗方法的性能,如标准蒙特卡罗(MC)和准蒙特卡洛(QMC),以及多级策略,即嵌套网格层次上的多级蒙特卡罗和多级准蒙特卡罗,进行了广泛的数值研究。我们还特别针对非嵌套网格使用了最近建议的多层方法变体,以处理真实的心脏几何体。

MSC公司:

28-08 测量和集成相关问题的计算方法
2005年6月60日 随机积分
60甲15 随机偏微分方程(随机分析方面)
60华氏35 随机方程的计算方法(随机分析方面)
65立方厘米 概率方法,随机微分方程

软件:

树獭;乌托邦
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参考文献:

[1] Barth,A.、Schwab,C.和Zollinger,N.,随机系数椭圆偏微分方程的多级蒙特卡罗有限元方法,数值。数学。,119(2011),第123-161页·Zbl 1230.65006号
[2] Bayer,J.D.、Blake,R.C.、Plank,G.和Trayanova,N.A.,《一种新的基于规则的算法,用于为计算心脏模型分配心肌纤维方向》,Ann.Biomed。《工程师》,40(2012),第2243-2254页。
[3] Ben Bader,S.、Benedusi,P.、Quaglino,A.、Zulian,P.和Krause,R.,时空多级蒙特卡罗方法及其在心脏电生理学中的应用,J.Comput。物理。,433 (2021), 110164. ·Zbl 1515.65009号
[4] Benedui,P.,并行时空多层方法及其在电生理学中的应用:理论与实现,博士论文,意大利斯维泽拉大学,瑞士卢加诺,2020年。
[5] Benedusi,P.、Garoni,C.、Krause,R.、Li,X.和Serra-Capizano,S.,《任意维各向异性扩散方程的时空FE-DG离散化:谱符号》,SIAM J.Matrix Anal。应用。,39(2018),第1383-1420页,doi:10.1137/17M113527X·Zbl 1507.65176号
[6] Boulakia,M.、Cazeau,S.、Fernández,M.A.、Gerbeau,J.-F.和Zemzemi,N.,《心电图的数学建模:数值研究》,Ann.Biomed。《工程》,38(2010),第1071-1097页。
[7] Drzisga,D.、Gmeiner,B.、Rüde,U.、Scheichl,R.和Wohlmuth,B.I.,《多层蒙特卡罗方法的大规模并行多重网格调度》,SIAM J.Sci。计算。,39(2017),第S873-S897页,doi:10.1137/16M1083591·Zbl 1422.65016号
[8] Fernández,M.A.和Zemzemi,N.,计算心脏电生理学和ECG数值模拟中的解耦时间推进方案,数学。生物科学。,226(2010),第58-75页·Zbl 1193.92024号
[9] FitzHugh,R.,神经膜理论模型中的冲动和生理状态,生物物理学。J.,1(1961),第445-466页。
[10] Gander,M.J.,《50年的时间并行时间集成》,载于《多重拍摄和时域分解方法》,Springer,Cham,2015年,第69-113页·Zbl 1337.65127号
[11] Gerstner,T.和Heinz,S.,《维度和时间自适应多级蒙特卡罗方法》,摘自《稀疏网格和应用》,Garcke,J.和Griebel,M.,eds.,Springer,Berlin,Heidelberg,2012年,第107-120页。
[12] Giles,M.B.,多层蒙特卡罗路径模拟,Oper。研究,56(2008),第607-617页·Zbl 1167.65316号
[13] Giles,M.B.,多层蒙特卡罗方法,数值学报。,24(2015),第259-328页·Zbl 1316.65010号
[14] Griebel,M.和Harbrecht,H.,关于构造L折叠稀疏张量积空间的注记,Constr。约,38(2013),第235-251页·兹比尔1283.41015
[15] Griebel,M.、Harbrecht,H.和Multerer,M.D.,曲线域多边形近似情况下椭圆参数偏微分方程的多层求积,SIAM J.Numer。分析。,58(2020),第684-705页,doi:10.1137/18M1236265·Zbl 1434.65256号
[16] Harbrecht,H.、Peters,M.和Schmidlin,M.,各向异性随机扩散PDE的不确定性量化,SIAM J.Numer。分析。,55(2017),第1002-1023页,doi:10.1137/16M1085760·Zbl 1432.35265号
[17] Harbrecht,H.、Peters,M.和Schneider,R.,《关于枢轴Cholesky分解的低阶近似》,应用。数字。数学。,62(2012),第28-440页·Zbl 1244.65042号
[18] Harbrecht,H.、Peters,M.和Siebenmorgen,M.,《关于椭圆随机偏微分方程的多级求积》,收录于《稀疏网格与应用》,Garcke,J.和Griebel,M.编辑,Springer,Berlin,Heidelberg,2012年,第161-179页。
[19] Harbrecht,H.,Peters,M.和Siebenmorgen,M.,数值应用中随机场的有效近似,Numer。线性代数应用。,22(2015),第596-617页·Zbl 1349.65048号
[20] Harbrecht,H.和Schmidlin,M.,具有随机各向异性扩散的椭圆偏微分方程不确定性量化的多级方法,Stoch。部分差异。等于。分析。计算。,8(2020年),第54-81页·Zbl 1431.35258号
[21] Heinrich,S.,《依赖性检验的多层次方法》,载于《随机模拟方法的进展》(St.Petersburg,1998),《工业与技术统计》,Birkhäuser出版社,马萨诸塞州波士顿,2000年,第47-61页·Zbl 0959.65007号
[22] Herrmann,L.和Schwab,C.,对流-扩散反应的多级准蒙特卡罗不确定度量化,载于蒙特卡罗和准蒙特卡洛方法,Springer,Cham,2020年,第31-67页·Zbl 07240088号
[23] Hille,E.和Phillips,R.S.,《函数分析和半群》,美国数学学会,普罗维登斯,RI,1957年·Zbl 0078.10004号
[24] Hodgkin,A.L.和Huxley,A.F.,《膜电流的定量描述及其在神经传导和兴奋中的应用》,《生理学杂志》。,117(1952),第500-544页。
[25] Hurtado,D.E.和Henao,D.,《心脏电生理学的梯度流和变分原理:实现心脏电活动的高效和稳健的数值模拟》,Comput。方法应用。机械。工程,273(2014),第238-254页·Zbl 1296.76186号
[26] Jeffrey,R.,《FitzHugh-Nagumo方程的整体存在性》,《Comm.偏微分方程》,第1期(1976年),第609-621页·Zbl 0341.35027号
[27] Jeffrey,R.和Joel,S.,FitzHugh-Nagumo方程的定性理论,高级数学。,27(1978年),第12-44页·Zbl 0379.92002号
[28] Light,W.A.和Cheney,E.W.,张量积空间中的近似理论,Springer-Verlag,柏林,1985年·Zbl 0575.41001号
[29] McDonald,E.和Wathen,A.,关于隐式时间步进进化过程随时间的并行计算的简单建议,载于《数值数学与高级应用ENUMATH 2015》,Springer,2016年,第285-293页·Zbl 1352.65360号
[30] Miller,W.T.和Geselowitz,D.B.,心电图模拟研究。I.正常心脏,Circ。研究,43(1978),第301-315页。
[31] Pezzuto,S.、Quaglino,A.和Potse,M.,《关于复杂几何形状的空间相关随机场采样》,国际心脏功能成像和建模会议,e.A.Coudière,Y.,ed.,Springer,Cham,2019,第103-111页。
[32] Potse,M.、Dubé,B.、Richer,J.、Vinet,A.和Gulrajani,R.M.,《人类心脏动作电位传播的单域和双域反应扩散模型比较》,IEEE Trans。生物识别。《工程师》,53(2006),第2425-2435页。
[33] Quaglino,A.、Ben Bader,S.和Krause,R.,《懒惰:UQ的Python库》。软件,2017年。
[34] Schmidlin,M.,《随机数据下半线性椭圆偏微分方程的正则性分析》,博士论文,瑞士巴塞尔大学科学院,2024年,正在编写中·Zbl 1431.35258号
[35] Siebenmorgen,M.,《带随机扩散的椭圆偏微分方程求积方法》,博士论文,瑞士巴塞尔大学科学院,2015年。
[36] Zulian,P.,Kopaniáková,A.,Nestola,M.C.G.,Fink,A.,Fadel,N.,Magri,V.,Schneider,T.,Botter,E.,Mankau,J.,and Krause,R.,《乌托邦:科学计算的C++嵌入式领域特定语言》,软件,2016年,https://bitbucket.org/zulianp/utopia。
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