Cardiovascular disease affects millions of people worldwide and its social and economic cost clearly motivates scientific research. Computer simulation can lead to a better understanding of cardiac physiology, and for pathology presents opportunities for low-cost and low-risk design and testing of therapies, including surgical and pharmacological intervention as well as automated diagnosis and screening. Currently, the simulation of a whole heart model, including the interaction of electrophysiology, solid mechanics and fluid dynamics is the subject of ongoing research in computational science. Typically, the computation of a single heartbeat requires many processor hours on a supercomputer. The financial and ultimately environmental cost of such a computation prevents it from becoming a viable clinical or research solution. We re-formulate the standard mathematical models of continuum mechanics, such as the Bidomain Model, Finite Strain Theory and the Navier-Stokes Equations, specifically for parallel processing and show proof-of-concept of a computational approach that can generate a complete description of a human heartbeat on a single Graphics Processing Unit (GPU) within a few minutes. The approach is based on a Finite Volume Method (FVM) discretisation which is both matrix- and mesh-free, ideally suited to voxel-based medical imaging data. The solution of nonlinear ordinary and partial differential equations proceeds via the method of lines and operator-splitting. The resulting algorithm is implemented in the OpenCL standard and can run on almost any platform. It does not perform any CPU processing and has no dependence on third-party software libraries.


翻译:计算机模拟可导致更好地了解心脏生理学,而病理学则提供低成本和低风险的治疗设计和测试机会,包括外科和药理干预以及自动诊断和筛查。目前,模拟整个心脏模型,包括电生理、固体机械和流体动态的相互作用,是计算科学方面正在进行的研究的主题。通常,计算单心跳需要超级计算机上许多处理小时。这种计算的财务成本和最终的环境成本可以防止它成为可行的临床或研究解决方案。我们重新制定标准的连续机械数学模型,如Bidomain模型、Finite Strain Theory和Navier-Stokes Equations,特别是用于平行处理和显示对计算方法的验证。任何计算方法,可以在几分钟内对单一的平面处理平台(GPU)上的人类心脏进行完整描述。这种方法基于财务和最终的环境成本成本成本成本成本,使其无法成为可行的临床或研究解决方案。我们重新设计的连续机械化模型(FVMM)的数学模型模式,通过普通的直径直径直方解算法进行。</s>

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