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Efficient GPU-based Monte-Carlo simulation of diffusion in real astrocytes reconstructed from confocal microscopy

Authors :
Julien Valette
Khieu Van Nguyen
Edwin Hernández-Garzón
Laboratoire des Maladies Neurodégénératives - UMR 9199 (LMN)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Service MIRCEN (MIRCEN)
Université Paris-Saclay-Institut de Biologie François JACOB (JACOB)
Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Biologie François JACOB (JACOB)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
European Project: 336331,EC:FP7:ERC,ERC-2013-StG,INCELL(2013)
Service MIRCEN (MIRCEN)
Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Biologie François JACOB (JACOB)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Biologie François JACOB (JACOB)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Journal of Magnetic Resonance, Journal of Magnetic Resonance, Elsevier, 2018, 296, pp.188-199. ⟨10.1016/j.jmr.2018.09.013⟩, Journal of Magnetic Resonance, 2018, 296, pp.188-199. ⟨10.1016/j.jmr.2018.09.013⟩
Publication Year :
2018

Abstract

International audience; The primary goal of this work is to develop an efficient Monte-Carlo simulation of diffusion-weighted signal in complex cellular structures, such as astrocytes, directly derived from confocal microscopy. In this study, we first use an octree structure for spatial decomposition of surface meshes. Octree structure and radius-search algorithm help to quickly identify the faces that particles can possibly encounter during the next time step, thus speeding up the Monte-Carlo simulation. Furthermore, we propose to use a three-dimensional binary marker to describe the complex cellular structure and optimize the particle trajectory simulation. Finally, a GPU-based version of these two approaches is implemented for more efficient mod-eling. It is shown that the GPU-based binary marker approach yields unparalleled performance, opening up new possibilities to better understand intracellular diffusion, validate diffusion models, and create dictionaries of intracellular diffusion signatures.

Details

ISSN :
10960856 and 10907807
Volume :
296
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of magnetic resonance (San Diego, Calif. : 1997)
Accession number :
edsair.doi.dedup.....4cde3b0c31c458d10e9fcf9327a6bfd3