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MICROCARD

MICROCARD: Numerical modeling of cardiac electrophysiology at the cellular scale

Projektbeschreibung

Herz-Kreislauferkrankungen gehören weltweit zu den häufigsten Todesursachen.
Die Hälfte dieser Todesfälle sind auf Herzrhythmusstörungen, daher Störungen in der
elektrischen Synchronisation des Herzens, zurückzuführen. Numerische Modelle der
elektrischen Herzfunktion sind bereits in Verwendung, können aber gewisse
Eigenschaften alternder und kranker Herzen, aufgrund ihres Homogenisierung-Ansatzes,
nur schlecht wiedergeben. Dafür wäre die Repräsentation individueller Zellen notwendig,
was aber die numerischen Anforderungen um mehrere Größenordnungen erhöht.

Unser Ziel ist eine Exascale Anwendungsplattform für die Simulation der Kardialen
Elektrophysiologie, die die Auflösung individueller Zellen unterstützt.
Die Plattform wird durch Experten aus allen relevanten wissenschaftlichen
Bereichen (HPC, wissenschaftlichen Rechnen, Biomedical Engeneering, Physiologie und Kardiologie)
gemeinsam entwickelt. Gleichzeitig werden wir die Numerischen Verfahren entwickeln
die es der Simulationsplattform erlauben schnell, energieeffizient und robust zu
operieren.

Die Simulationsplattform wird auf realistische Anwendungen der Medizin getestet werden
und demonstrieren, dass High Performance Computing in diesem Bereich noch viel zu wenig
genutzt wird. Die Plattform wird den Nutzern über den Quellcode sowie über ein Web-Interface
zugänglich gemacht werden.

Abstract

Cardiovascular diseases are the most frequent cause of death worldwide
and half of these deaths are due to cardiac arrhythmia, a
disorder of the heart's electrical synchronization
system. Numerical models of this complex system are highly sophisticated and
widely used, but to match observations in aging and diseased hearts
they need to move from a continuum approach to a representation of
individual cells and their interconnections. This implies a
different, harder numerical problem and a 10,000-fold
increase in problem size. Exascale computers will be needed to run such models.

We propose to develop an exascale application platform for cardiac
electrophysiology simulations that is usable for cell-by-cell
simulations. The platform will be co-designed by HPC experts,
numerical scientists, biomedical engineers, and biomedical
scientists. We will develop, in concert, a numerical scheme
suitable for exascale parallelism, problem-tailored linear-system
solvers and preconditioners, and a compiler to translate high-level
model descriptions into optimized, energy-efficient system code for
heterogeneous computing systems. The code will be parallelized with a
recently developed runtime system that is resilient to hardware
failures and will use an energy-aware task placement strategy.

The platform will be applied in real-life use cases with high impact
in the biomedical domain and will showcase HPC in this area where it
is painfully underused. It will be made accessible for a wide range of
users both as code and through a web interface.

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