Nell’arteriosclerosi le placche contenenti materiale lipidico vanno a poco a poco ad ostruire le arterie coro-nariche. Quando le placche raggiungono una dimensione critica, si rompono ed il sangue si coagula provocando un’improvvisa perdita di ossigenazione del muscolo cardiaco che ha come conseguenza ultima l’infarto. Poiché l’infarto è la prima causa di mortalità nei paesi industrializzati, appare chiara l’importanza di una valutazione dettagliata dei rischi cardiovascolari al fine di permettere un tempestivo intervento di rimozione delle formazioni di depositi altamente pericolosi per la salute del sistema cardiocircolatorio. Per questo motivo, nel corso degli anni è andata sempre crescendo l’attenzione verso l’emodinamica computazionale che ha come obiettivo lo studio, tramite tecniche computazionali, delle proprietà fisiche del flusso sanguigno, per comprendere la genesi e prevedere l’evoluzione a medio-lungo termine delle malattie cardiovascolari. Il vantaggio di un approccio basato sul calcolo è soprattutto quello di non avere una natura invasiva.
La tecnologia sviluppata nell’ambito del nostro studio Multiscala dell’emodinamica permette di ricostruire in 3 dimensioni la circolazione sanguigna nei minimi dettagli, fino alla scala di 10 micron, dove è possibile os-servare il movimento dei globuli rossi, bianchi e di altre micro particelle in interazione tra loro e con il plasma. In questo modo, le zone coronariche passibili di accumulazione di materiale lipidico possono essere determinate in maniera accurata per ogni specifico paziente.
I dati di partenza dello studio sono immagini ad alta risoluzione del sistema coronarico ottenute tramite la Multi-Detector Computed Tomography (MDCT) e rese disponibili dalla Harvard Medical School. Da queste im-magini è estratta la geometria che viene utilizzata nella simulazione multiscala basata su una nuova metodo-logia in grado di sfruttare al meglio le potenzialità non solo dei supercomputer tradizionali, ma anche di piattaforme innovative quali i cluster di Graphics Processing Unit (GPU).
Tramite la nuova tecnica messa a punto, è possibile riprodurre i dettagli del comportamento del sistema ar-terioso umano in cui si muovono centinaia di milioni di globuli rossi che interagiscono reciprocamente e con il plasma circostante (Figura 1).
Una tecnica multiscala è essenziale per la comprensione di una dinamica di tale complessità. Fino ad oggi la tomografia e gli ultrasuoni permettevano di vedere in 3D soltanto le arterie e il flusso del sangue (visto come un fluido continuo) al loro interno, ma non ciò che compone il sangue stesso. La stessa limitazione era presente nell’approccio classico alla simulazione basato soltanto su tecniche di fluidodinamica. Con il nuovo metodo si possono simulare in maniera mirata tutti i componenti del sangue: plasma, globuli rossi, globuli Lo studio dell’emodinamica, cioè delle proprietà fisiche
del flusso sanguigno, ha, tra i suoi obiettivi, la compren-sione della genesi delle malattie cardiovascolari per arri-vare, auspicabilmente, a prevederne l’evoluzione. Una nuova tecnica computazionale multiscala, descritta nell’articolo, permette di studiare, ad un altissimo livello di risoluzione, il sistema arterioso umano in tutta la sua complessità. I risultati ottenuti dalle simulazioni permet-tono di offrire nuove possibilità per salvare la vita a chi non ha ancora manifestato i sintomi dell’infarto pur aven-done in atto le cause prime.
LA SIMULAZIONE DELL’EMODINAMICA
PER LA PREVENZIONE DELL’INFARTO
Massimo Bernaschi m.bernaschi@iac.cnr.it Sauro Succi s.succi@iac.cnr.it Istituto Applicazioni del Calcolo CNR Mauro Bisson mauro.bis@gmail.com Harvard Medical School
Simone Melchionna
simone.melchionna@roma1.infn.it IPFC CNR
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bianchi e microparticelle a diverse scale di grandezza. In particolare, una precisione di 10 micron permette di valutare l’evoluzione di tutti questi elementi; cioè come si muovono, girano su se stessi, scorrono o stagnano nelle zone ad alto rischio. Dal punto di vista modellistico, l’interazione tra fluido (solvente) e particelle sospese (soluto) è bi-direzionale, rispondente cioè ad un principio di azione-reazione che è alla base del moto sia del soluto che del solvente. L’approccio seguito per la simulazione accoppia quindi due metodi sviluppati, origina-riamente, in ambiti diversi. Il primo è il metodo Lattice Boltzmann (LB) tipico della fluidodinamica computa-zionale e particolarmente adatto alle implementazioni che mirano a sfruttare il parallelismo delle moderne piattaforme di calcolo. Il secondo è una versione specializzata di Particle Dynamics (PD) derivata dalla dinamica molecolare classica. Lo schema di funzionamento del codice, detto MuPHY, ottenuto da questa combinazione, è riportato nella Figura 2.
Uno dei requisiti per rendere le simulazioni di emodinamica veramente utili nella pratica clinica è la capacità di lavorare con geometrie variabili e molto irregolari poiché l’obiettivo finale è quello di eseguire analisi per-sonalizzate per uno specifico paziente. MuPHY utilizza, a questo scopo, un modello di gestione ed accesso ai dati molto flessibile che permette di affrontare anche simulazioni su larga scala minimizzando le risorse richieste soprattutto in termini di memoria. Nonostante questo, le simulazioni su geometrie reali possono essere eseguite attualmente solo su calcolatori paralleli. MuPHY definisce per ciò, a tempo di esecuzione, uno schema di co-municazione che minimizza la quantità di informazioni che devono essere scambiate tra i processori. Nelle si-mulazioni in parallelo sono inoltre utilizzati due nuovi metodi: uno di local dynamic load balancing, applicato al calcolo delle forze tra le particelle che rappresentano i globuli rossi e gli altri elementi corpuscolari del sangue, ed uno di discretizzazione della Particle Dynamics in domini spaziali di forma irregolare. Queste tecniche costituiscono novità assolute nel campo e possono essere applicate anche per altri tipi di simulazioni in confi-namenti irregolari.
Il software sviluppato ha dimostrato una tale efficienza, dal punto di vista della scalabilità e delle prestazioni assolute, da rientrare tra i finalisti per l’assegnazione del premio internazionale Gordon Bell 2010 permettendo, in sole sei ore, di produrre, ad una velocità di decine di Teraflop/secondo, una mappa completa del sistema coronarico di una persona. Allo scopo, è stata utilizzata, per rappresentare la geometria, una griglia con circa un miliardo di nodi che è stata popolata con circa 300 milioni di globuli rossi al fine di ottenere un ematocrito (percentuale di elementi corpuscolati presente nel sangue) vicino ai valori fisiologici.
Fig. 1Particolare delle arterie coronariche con i globuli rossi di cui viene simulato il movimento e l'interazione con il plasma (non visibile nella figura).
HPC
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Processore N
Arteriosclerosi ed infarto da oggi si possono prevenire grazie ai supercomputer, ma fra tre o quattro anni questo risultato potrebbe essere possibile con computer di media potenza installati in uno studio medico. Il progetto di emodinamica multiscala apre quindi la strada per salvare la vita a chi non ha ancora manifestato i sintomi dell’infarto, ma che ne ha in atto le cause prime.
BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE
Bernaschi, M. et al. (2010). Hydrokinetic approach to large-scale cardiovascular blood flow. Computer Physics Communications, 181, 462.
Bernaschi, M., Bisson, M., Kaxiras, E., Melchionna, S., Succi, S. Multiscale Hemodynamics using GPU clusters. Ac-cepted on Communications in Computational Physics.
Bernaschi, M., Fyta, M., Kaxiras, E., Melchionna, S., Sircar, J., Succi, S. (2009). MUPHY: A Parallel MUlti PHYsics/Scale Code for High Performance Bio-Fluidic Simulations. Computer Physics Communication, 180, 1495.
Fig. 2Struttura del codice MuPHY: ad ogni iterazione il modulo di simulazione del fluido (plasma) scambia informazioni con il modulo di simulazione delle particelle (globuli rossi, bianchi, etc.).
