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莱泽克·西维克;马钦·奥西;阿德里安·库塞克;安娜·帕西恩斯卡;基沙夫·平加里;维托尔德·德兹温;马西耶·帕森斯基

在GPGPU集群上调整三维肿瘤进展模拟。 （英语） Zbl 1503.92009年

J.计算。申请。数学。 412，文章ID 114308，26 p.（2022）.
摘要：在本文中，我们介绍了GPGPU实现的肿瘤进展三维并行模拟器，以及通过进化计算执行的自动模型参数调整。我们通过一组偏微分方程对肿瘤生长进行建模，描述肿瘤密度、肿瘤血管生成因子、受损的细胞外基质、氧浓度以及一些辅助参数、肿瘤压力、肿瘤流量、肿瘤细胞汇和源。我们还通过随机图文法模型对血管系统的变化进行建模，以表达血管生成过程。我们在等几何分析（IGA）环境中使用有限元方法，使用高阶和连续B样条基函数来近似模拟肿瘤进展过程的标量场。我们表明，将使用循环通过元素的传统求解器算法替换为使用循环通过全局基函数的替代方法，可以在GPGPU上实现高效的并行化。我们还采用了经典的代码优化技术，包括多线程组织、内存访问以及嵌套和展开循环。在普罗米修斯（Prometheus）超级计算机上进行的实验表明，与问题规模为256^3的类似CPU模拟器相比，其速度提高了171倍以上。我们还使用GPGPU代码来解决识别患者特定数据模型参数的逆问题。为了实现这个目标，我们同步了三个不同的GPGPU模拟器。我们使用进化算法找到一个合适的模型和同步参数来匹配指定的医疗数据。

MSC公司：

92年-10月 生物相关问题的数学建模或模拟
65M60毫米 涉及偏微分方程初值和初边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
65D07年 使用样条曲线进行数值计算
65日元10 特定类别建筑的数值算法
92 C50 医疗应用（通用）
92立方厘米 系统生物学、网络

关键词：

代码设计与优化;等几何分析;肿瘤进展模拟;GPGPU计算;图形变换;进化计算

软件：

胶子;IGA-ADS公司
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
\textit{L.Siwik}等人，《计算杂志》。申请。数学。412，文章ID 114308，第26页（2022；兹bl 1503.92009）
全文： 内政部

参考文献：

[1] 牧师，文学硕士。；McDougall，S.R。；Anderson，A.R.A.，《肿瘤诱导血管生成的数学模型》，年。生物识别版本。工程，8233-257（2006）
[2] 安德森，A.R.A。；Chaplain，M.A.J.，肿瘤诱导血管生成的连续和离散数学模型，公牛。数学。生物学，5，60，857-899（1998）·Zbl 0923.92011号
[3] Rupnick，医学硕士。；斯托克斯，C.L。；威廉姆斯，S.K。；Lauffenburger，D.A.，使用线性低糖分析对人类微血管内皮细胞进行定量分析，Investig实验室。病理学技术方法杂志。，59, 363-372 (1998)
[4] Wcisło，R。；Dzwinel，W。；Yuen，医学博士。；Dudek，A.Z.，基于粒子动力学驱动的复杂自动机的肿瘤进展三维模型，J.Mol.模型。，15, 12, 1517-1539 (2009)
[5] 安达萨里，V。；Gerisch，A。；Lolas，G。；南部，A.P。；Chaplain，M.A.，《癌症细胞入侵组织的数学建模：从数学分析和计算模拟中获得的生物学见解》，J.Math。生物学，63，1，141-171（2011）·Zbl 1230.92022号
[6] Łosh，M。；帕森斯基，M。；Kłusek，A。；Dzwinel，W.，《快速等几何L2投影解算器在肿瘤生长模拟中的应用》，计算机。方法应用。机械。工程，3161257-1269（2017）·Zbl 1439.92004号
[7] Puzyreva，V。；Łosh，M。；Gurgul，G。；Calo，V.M。；Dzwinel，W。；Paszyñski，M.，《卡恩-希拉德方程等几何分析的并行分裂解算器》，计算。方法生物技术。生物识别。工程师，221269-1281（2019）
[8] 吴，X。；van Zwieten，G.J。；van der Zee，K.，Cahn Hilliard模型的稳定二阶凸分裂格式及其在扩散界面肿瘤生长模型中的应用，Numer。方法生物技术。工程，30，3，180-203（2014）
[9] 范德泽，K.G。；Oden，J.T。；普鲁德霍姆，S。；Hawkins-Daarud，A.，二元相变Cahn-Hilliard模型的面向目标误差估计，数值。偏微分方程方法，27，1，160-196（2011）·Zbl 1428.35398号
[10] Łosh，M。；Kłusek，A。；Hassaan，医学硕士。；Pingali，K。；Dzwinel，W。；Paszyñski，M.，用于3D肿瘤生长模拟的GALOIS系统并行快速等几何L2投影解算器，计算。方法应用。机械。工程，343，1-22（2019）·Zbl 1440.74421号
[11] Kłusek，A。；Łosh，M。；帕森斯基，M。；Dzwinel，W.，《在多GPU环境中模拟肿瘤进展的有效模型》，《国际高性能计算杂志》。申请。，33, 3, 489-506 (2019)
[12] Galois框架，http://iss.ices.utexas.edu/？p=projects/galois。
[13] K.Pingali、D.Nguyen、M.Kulkarni和M.Burtscher。M.A.Hassaan和R.Kaleem。T.H.Lee，A.Lenharth，R.Manevich，M.Mendez-Lojo，D.Prountzos，X.Sui，算法中的并行之道，摘自：第32届ACM SIGPLAN编程语言设计与实现会议论文集，2011年，第12-25页。
[14] Bazilevs，Y。；Calo，V.M。；Cottrell，J.A。；Evans，J.A。；利普顿，S。；斯科特，医学硕士。；Sederberg，T.W.，使用T样条的等几何分析，计算。方法应用。机械。工程，199，229-263（2010）·Zbl 1227.74123号
[15] 休斯·T·J·R。；Cottrell，J.A。；Bazilevs，Y.，等几何分析：CAD，有限元，NURBS，精确几何和网格细化，计算。方法应用。机械。工程，194，39，4135-4195（2005）·Zbl 1151.74419号
[16] Łosh，M。；Woźniak，M。；帕森斯基，M。；Lenharth，A。；Hassaan，医学硕士。；Pingali，K.，IGA-ADS：使用ADS解算器的等几何分析FEM，计算。物理。通信，217，99-116（2017）·兹比尔1411.65132
[17] 巴顿，M。；Calo，V.M.，二次和三次样条空间的Gauss-Galerkin求积规则及其在等几何分析中的应用，计算。辅助设计。，82, 57-67 (2017)
[18] 卡拉布罗，F。；桑加利，G。；Tani，M.，通过加权求积快速形成等几何Galerkin矩阵，计算。方法应用。机械。工程，316，606-622（2017）·Zbl 1439.65012
[19] 巴顿，M。；普兹列夫，V。；邓，Q。；Calo，V.M.，《通过B样条加权高斯求积规则进行有效质量和刚度矩阵装配》，J.Compute。申请。数学。，371，第112626条pp.（2020）·Zbl 1493.65054号
[20] 希姆斯特拉，R。；卡拉布罗，F。；席林格，D。；Hughes，T.J.R.，等距几何分析中张量积和层次细化样条的最优和简化求积规则，计算。方法应用。机械。工程，316966-1004（2017）·兹比尔1439.65170
[21] 戈麦斯，H。；De Lorenzis，L.，变分配置法，计算。方法应用。机械。工程，309152-181（2016）·Zbl 1439.74489号
[22] Demkowicz，L。；Kurtz，J。；帕尔多，D。；帕森斯基，M。；Rachowicz，W。；Zdunk，A.，用hp自适应有限元计算，（前沿：三维椭圆和麦克斯韦问题及其应用，第二卷（2007），Chapman&Hall/CRC应用数学与非线性科学）·Zbl 1111.65103号
[23] L.Siwik，M.Ło she，W.Dzwinel，M.Paszyñski，调节二维肿瘤生长模拟，收录于：2018年第50届计算机模拟会议论文集，第9、1-12页。
[24] 拉米斯·孔德，I。；牧师，文学硕士。；Anderson，A.R.，癌细胞侵袭组织的数学模型，数学。计算。建模，47，5，533-545（2008）·Zbl 1148.92021号
[25] Lowengrub，J.S。；Frieboes，H.B。；Jin，F。；Chuang，Y.L。；李，X。；Macklin，P。；Cristini，V.，《癌症的非线性建模：弥合细胞与肿瘤之间的差距》，非线性，23，1（2009）·Zbl 1181.92046号
[26] Manning，C.S.，《黑色素瘤和微环境的异质性》（2013年），伦敦大学学院，（博士论文）
[27] Dzwinel，W。；Kłusek，A。；Vasilyev，O.V.，黑素瘤进展模拟中的超级建模，Procedia Comput。科学。，80, 999-1010 (2016)
[28] Rejniak，K.A.，循环肿瘤细胞：当实体瘤遇到液体微环境时，（肿瘤微环境的系统生物学（2016），施普林格：施普林格-查姆），93-106
[29] Golub，G.H。；Van Loan，C.，《矩阵计算》（1996），约翰·霍普金斯大学出版社：约翰·霍普金森大学出版社，马里兰州巴尔的摩·Zbl 0865.65009号
[30] Welter，M。；Rieger，H.，肿瘤生长过程中血管网络重构的物理决定因素，《欧洲物理学》。J.E，33，2，149-163（2010）
[31] Ribba，B。；沃特金，E。；托德，M。；Girard，P。；格雷尼尔，E。；你，B。；Giraudo，E。；Freyer，G.，结合纵向肿瘤大小数据和组织学生物标记物的小鼠血管肿瘤生长模型，《欧洲癌症杂志》，47，3，479-490（2011）
[32] R.Dathathri，G.Gill，L.Hoang，H.-V.Dang，A.Brooks，N.Dryden，M.Snir，K.Pingali，GLUON:分布式异构图形分析的通信优化基板，摘自：第39届ACM SIGPLAN编程语言设计与实现会议论文集，PLDI，2018。
[33] http://www.cyfronet.krakow.pl/computers/15226，artykul，prometheus.html。（2019年6月查阅）。
[34] Bubak，M。；Kitowski，J。；Wiatr，K.，分布式计算基础设施的电子科学，（PL Grid Plus领域特定服务和工具的成就，第8500卷（2014），施普林格）
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