MICROCARD - Numerische Modellierung der kardialen Elektrophysiologie auf zellulärer Ebene

Abstract

Das EuroHPC-Verbundprojekt MICROCARD hatte das Ziel, effiziente Methoden zur Simulation der kardialen Elektrophysiologie mit zellulärer Auflösung zu entwickeln und auf massiv-parallelen Systemen zu implementieren. Solche Simulationen ermöglichen die Untersuchung von für Herzrhythmusstörungen relevanten Mechanismen, insbesondere durch die explizite Modellierung der Herzmuskelzellen mittels des EMI-Modells. Das Zuse-Institut Berlin (ZIB) trug in enger Kooperation mit internationalen Partnern durch die Entwicklung eines Simulationscodes (µCARP), räumlicher Adaptivität, Zeitschrittverfahren höherer Ordnung und innovativer Vorkonditionierer zur Lösung komplexer Gleichungssysteme wesentlich zum Projekt bei. Ein Prototyp auf Basis der FE-Toolbox Kaskade 7 diente der Entwicklung und Testung von Methoden wie spektralen Defektkorrekturverfahren (SDC) für effiziente Zeitintegration und einem neuartigen Verfahren zur algebraischen Adaptivität, das die Rechenlast drastisch reduzierte. Für die Implementierung in das openCARP-Framework waren umfangreiche Anpassungen nötig, die durch eine projektinterne Task Force koordiniert wurden. Der fertige µCARP-Code wurde erfolgreich verifiziert und steht nun für Simulationen auf verteilten Systemen bereit. Die Ergebnisse umfassen eine signifikante Beschleunigung der Simulationen (Faktor 4–8) sowie Energieeinsparungen durch die algebraische Adaptivität. Weiterhin konnte eine verlustbehaftete Datenkompression in BDDC-Gebietszerlegungsvorkonditionierern ohne negative Auswirkungen auf die Konvergenzrate von Krylov-Lösern realisiert werden. Diese Fortschritte eröffnen neue Möglichkeiten für die Simulation kardialer Elektrophysiologie auf massiv-parallelen Systemen.

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