1. Simulation of human ischemic stroke in realistic 3D geometry
- Author
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Violaine Louvet, Stéphane Descombes, Max Duarte, Marie-Aimée Dronne, Thierry Dumont, Marc Massot, Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Énergétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion (EM2C), Université Paris Saclay (COmUE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-CentraleSupélec, Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné (JAD), Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS), COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Numerical modeling and high performance computing for evolution problems in complex domains and heterogeneous media (NACHOS), Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné (JAD), Université Côte d'Azur (UCA)-Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS), COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UCA)-Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS), Evaluation et modélisation des effets thérapeutiques, Département biostatistiques et modélisation pour la santé et l'environnement [LBBE], Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Numerical Medicine (NUMED), Unité de Mathématiques Pures et Appliquées (UMPA-ENSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Project NUMED, INRIA ENS Lyon - Project NACHOS, INRIA, Institut Camille Jordan (ICJ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Saclay (COmUE), Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné (LJAD), COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UCA)-Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS), COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UCA), and École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes
- Subjects
Theoretical computer science ,Computer science ,010103 numerical & computational mathematics ,01 natural sciences ,03 medical and health sciences ,0302 clinical medicine ,Complex geometry ,Reaction–diffusion system ,[MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP] ,0101 mathematics ,35A35, 35K57, 65L06, 65M08, 65M50, 65Y05, 92B05 ,Numerical Analysis ,Ischemic stroke ,Mathematical model ,Computer simulation ,parallel computing ,Applied Mathematics ,Numerical analysis ,[INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation ,Term (time) ,Nonlinear system ,reaction-diffusion equations ,Shared memory ,Modeling and Simulation ,[INFO.INFO-DC]Computer Science [cs]/Distributed, Parallel, and Cluster Computing [cs.DC] ,Algorithm ,030217 neurology & neurosurgery ,operator splitting - Abstract
The authors would like to thank Christian Tenaud (LIMSI - CNRS) for providing the basis of the multi-resolution kernel of MR CHORUS, code that he developed at LIMSI for compressible Navier-Stokes equations.; International audience; In silico research in medicine is thought to reduce the need for expensive clinical trials under the condition of reliable mathematical models and accurate and efficient numerical methods. In the present work, we tackle the numerical simulation of reaction-diffusion equations modeling human ischemic stroke. This problem induces peculiar difficulties like potentially large stiffness which stems from the broad spectrum of temporal scales in the nonlinear chemical source term as well as from the presence of steep spatial gradients in the reaction fronts, spatially very localized. Furthermore, simulations on realistic 3D geometries are mandatory in order to describe correctly this type of phenomenon. The main goal of this article is to obtain, for the first time, 3D simulations on realistic geometries and to show that the simulation results are consistent with those obtain in experimental studies or observed on MRI images in stroke patients. For this purpose, we introduce a new resolution strategy based mainly on time operator splitting that takes into account complex geometry coupled with a well-conceived parallelization strategy for shared memory architectures. We consider then a high order implicit time integration for the reaction and an explicit one for the diffusion term in order to build a time operator splitting scheme that exploits efficiently the special features of each problem. Thus, we aim at solving complete and realistic models including all time and space scales with conventional computing resources, that is on a reasonably powerful workstation. Consequently and as expected, 2D and also fully 3D numerical simulations of ischemic strokes for a realistic brain geometry, are conducted for the first time and shown to reproduce the dynamics observed on MRI images in stroke patients. Beyond this major step, in order to improve accuracy and computational efficiency of the simulations, we indicate how the present numerical strategy can be coupled with spatial adaptive multiresolution schemes. Preliminary results in the framework of simple geometries allow to assess the proposed strategy for further developments.
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- 2013
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