Center-based models are used to simulate the mechanical behavior of biological cells during embryonic development or cancer growth. To allow for the simulation of biological populations potentially growing from a few individual cells to many thousands or more, these models have to be numerically efficient, while being reasonably accurate on the level of individual cell trajectories. In this work, we increase the robustness, accuracy, and efficiency of the simulation of center-based models by choosing the time steps adaptively in the numerical method. We investigate the gain in using single rate time stepping for the forward and backward Euler methods, based on local estimates of the numerical errors and the stability of the method in the case of the explicit forward Euler method. Furthermore, we propose a multirate time stepping scheme that simulates regions with high local force gradients (e.g. as they happen after cell division) with multiple smaller time steps within a larger single time step for regions with smoother forces. These methods are compared for different model systems in numerical experiments. We conclude that the adaptive single rate forward Euler method results in significant gains in terms of reduced wall clock times for the simulation of a linearly growing tissue, while at the same time eliminating the need for manual determination of a suitable time step size.


翻译:中心模型用于模拟胚胎发育或癌症增长期间生物细胞的机械行为; 为了模拟生物群可能从几个单细胞增长到数千个或更多的生物群,这些模型必须具有数字效率,同时对单细胞轨迹水平具有合理的准确性; 在这项工作中,我们通过在数字方法中选择适应性的时间步骤,提高中心模型模拟的稳健性、准确性和效率; 我们根据对数字错误和方法稳定性的当地估计,对前向和后向Euler方法使用单一速率步骤的增益进行调查; 此外,我们提出一个多级时间步制计划,对具有高局部力梯度的区域(如细胞分解后发生的情况)进行模拟,在较大一个时间步骤内,对有较平稳力量的区域进行多次较小步骤的模拟; 在数字实验中,将这些方法与不同的模型系统进行比较; 我们的结论是,根据对明显的前向Euler方法采用适应性单速率方法,在计算线性生长组织模拟时,在缩短壁时段时间方面的显著增益; 同时,在适当时间确定,需要适当的时间。

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