Simulações computacionais de arritmias cardíacas em ambientes de computação de alto desempenho do tipo Multi-GPU

• Ano de defesa: 2013
• Autor(a) principal: Barros, Bruno Gouvêa de
• Orientador(a): Santos, Rodrigo Weber dos
• Banca de defesa: Navaux, Philippe Olivier Alexandre , Leite, Saul de Castro
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
• Departamento: ICE – Instituto de Ciências Exatas
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Eletrofisiologia cardíaca; Equações diferenciais; Multi-GPU; Arritmia cardíaca; Cardiac electrophysiology; Differential equations; Cardiac arrhythmia
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
• Link de acesso: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/3486

Os modelos computacionais tornaram-se ferramentas valiosas para o estudo e compreensão dos fenômenos da eletrofisiologia cardíaca. No entanto, a elevada complexidade dos processos biofísicos e o nível microscópico de detalhes exigem complexos modelos computacionais. Aspectos-chave da eletrofisiologia cardíaca, tais como condução lenta e bloqueio de condução tem sido tema de pesquisa de muitos estudos, uma vez que estão fortemente relacionados à arritmia cardíaca. No entanto, ao reproduzir estes fenômenos os modelos necessitam de uma discretização sub-celular para a solução das equações diferenciais e uma condutividade eléctrica do tecido não uniforme e heterogênea. Devido aos elevados custos computacionais de simulações que reproduzem a microestrutura fina do tecido cardíaco, estudos prévios têm considerado experimentos de tecido de pequenas dimensões e têm utilizados modelos simples de células cardíacas. Neste trabalho, desenvolvemos um modelo (modelo microscópico) da eletrofisiologia cardíaca que capta a microestrutura do tecido cardíaco usando uma discretização espacial muito fina (8µm) e utilizamos um modelo celular moderno e complexo baseado em Cadeias de Markov para a caracterização da estrutura e dinâmica dos canais iônicos. Para lidar com os desafios computacionais, o modelo foi paralelizado usando uma abordagem híbrida: a computação em cluster e GPGPUs (General-purpose computing on Graphics Processing Units). Nossa implementação paralela deste modelo, utilizando uma plataforma multi-GPU, foi capaz de reduzir os tempos de execução das simulações de mais de 6 dias (em um único processador) para 21 minutos (em um pequeno cluster de 8 nós equipado com 16 GPUs). Além disso, para diminuir ainda mais o custo computacional, foi desenvolvido um modelo discreto equivalente ao modelo microscópico. Este novo modelo foi paralelizado usando a mesma abordagem do modelo microscópico e foi capaz de executar simulações que demoravam 21 minutos em apenas 65 segundos. Acreditamos que esta nova implementação paralela abre caminho para a investigação de muitas questões em aberto associadas à natureza complexa e discreta da propagação dos potenciais de ação no tecido cardíaco.