Cardiac Chaster：开发用于真实心脏模拟的软件
导言和目标
心脏的计算模型现在被认为是详细研究心脏行为的一种强有力的技术。计算方法对心血管研究的主要贡献之一是能够剖析各种效应并梳理出参数之间的重要关系，这是使用当前实验技术所无法做到的。最近，发展了先进的心脏机电活动计算机模型。心肌的电特性通常由bidomain方程描述，这是一组耦合的抛物线和椭圆偏微分方程（PDEs），将组织表示为两个独立的、不同的连续统——一个是细胞内的，另一个是胞外的。细胞内和细胞外介质通过细胞膜连接，因此两个PDE通过一组复杂的非线性常微分方程（ODE）在空间的每一点耦合，描述离子在细胞膜上的传输。某些建模环境使用心脏活动的单域表示，这涉及通过假设细胞外电位可忽略不计，或细胞内和细胞外域的各向异性比率相等来求解单个抛物线PDE。
尽管目前的心脏解决方案在特定应用中取得了很好的效率，但它们都有以下重要的局限性：（i） 它们不是通用的-它们是根据开发人员的特定科学兴趣为特定应用程序开发的；（ii）它们不是使用最先进的软件工程方法开发的，因此没有经过完全测试和验证；（iii）它们没有达到在HPC平台上运行的最大效率，因为它们不是为此目的而设计的；（iv）科学界无法免费获得；以及（v）它们不包括最先进的数值和计算技术，这些技术可以将代码加速几个数量级，从而允许进行全数值收敛测试（特别是，当前的模拟工具无法提供足够的空间分辨率来测试收敛性）。
Chaster项目的总体目标是开发一个新颖、通用和高效的心脏软件包，经过准确测试和验证，并专门设计用于大规模、高性能系统，如HPCx和未来几代PB级计算机。先进软件工程技术的使用，以及与学术和工业合作者以及最终用户的密切互动，确保生成的软件形成一个强大、用户友好的生产级平台，用于研究与健康和疾病中的心脏功能相关的重要科学问题。我们希望该软件能够支持用户社区继续研究下一代心脏生理学研究。
用户功能
- 单域和双域方程的解（包括外部浴表示）。
- 使用稳定的数值算法解决机电耦合问题。
- 从CellML存储库自动实现细胞动作电位模型（使用幽门螺杆菌).
- 能够加载任何四面体网格（包括任何大小的基于解剖的网格），并自动生成简单的几何网格（平板等）。
- 基于解剖和简单几何网格的纤维取向数学模型的自动生成。
- 能够基于XML文件全局和局部定义组织属性（例如，描述离子电流属性的异质性）
- 对模拟结果进行后处理，以计算动作电位持续时间、传导速度等电生理特性。
- 运行过程中的模拟检查点，并使用更改的参数重新启动
性能
我们在富士通的合作伙伴在HECToR（英国高端计算资源）中运行了Chaster，在基于解剖的兔子心室网约400万个节点上获得了以下性能；看见Bernabeu等人，《心脏病学中的计算机》，2008年):
- 使用2048个处理器，100毫秒的bidomain活动需要9分钟（2010年5月）。
之前：
- 使用32个处理器，10毫秒的bidomain活动需要40分钟（2009年1月）。
- 使用32个处理器，10毫秒的单域活动需要18分钟（2009年1月）。
模拟结果示例
心脏模拟可以在Chaste YouTube频道.
