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MonoAlg3D
Código-fonte disponível: https://github.com/bergolho/MonoAlg3D_C.
MonoAlg3D é um programa capaz de solucionar o modelo 3D da equação do monodomínio para simulações cardíacas. Sua modelagem matemática é descrita por uma equação do tipo reação-difusão. De maneira que sua solução numérica é dada pelo Método dos Volumes Finitos. O programa é implementado na linguagem C e mantido pelo grupo de pesquisa FISIOCOMP/UFJF.
Uma grande vantagem deste resolvedor é que o mesmo é capaz de não somente solucionar o modelo monodomínio de maneira rápida e eficiente, mas também é possível realizar simulações em tecidos heterogêneos. Além disso, a principal característica do resolvedor é o seu processamento paralelo tanto em CPU quanto em GPU. Sendo que este último é responsável por gerar uma grande redução no tempo total das simulações cardíacas.
Modelo monodomínio:
\[\beta C_{m} \dfrac{\partial V_{m}}{\partial t} + \beta I_{ion}(V_{m},\eta) = \nabla . (\sigma \nabla V_{m}) + I_{stim},\] \[\dfrac{\partial \eta}{\partial t} = f(V_{m},\eta).\]Simulação resolvida pelo programa MonoAlg3D, em que um tecido cardíaco é estimulado normalmente e o que ocorre em um caso de arritmia cardíaca.
Simulação mostrando uma arritmia cardíaca gerada por pontos de micro-reentrada próximos de uma região isquêmica. A estimulação elétrica é dada por uma rede de Purkinje.
Simulação mostrando uma simulação biventricular em uma malha de paciente-específico, em que o tempos totais de computação da simulação quando se usa CPUs e uma GPU são comparados.
Citação:
Oliveira RS, Rocha BM, Burgarelli D, Meira Jr W, Constantinides C, dos Santos RW. Performance evaluation of GPU parallelization, space‐time adaptive algorithms, and their combination for simulating cardiac electrophysiology. Int J Numer Meth Biomed Engng. 2018;34:e2913. https://doi.org/10.1002/cnm.2913
Lawson, B. A., Oliveira, R. S., Berg, L. A., Silva, P. A., Burrage, K., & Dos Santos, R. W. (2020). Variability in electrophysiological properties and conducting obstacles controls re-entry risk in heterogeneous ischaemic tissue. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 378(2173), 20190341. https://doi.org/10.1098/rsta.2019.0341
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Shocker
Código-fonte disponível: https://github.com/bergolho/Shocker.
Shocker é um programa para geração de redes de Purkinje em qualquer tipo de superfície endocárdica implementado durante o meu doutorado.
A rede de Purkinje faz parte do Sistema de Condução Cardíaco e é responsável pela ativação síncrona das paredes dos ventrículos.
Para gerar uma rede de Purkinje, os parâmetros de entrada do método são os seguintes: uma superfície de endocárdio e a localização proximal do ramo raiz, que deve pertencer a superfície do endocárdio.
Além disso, o usuário pode passar um conjunto de Junções-Músculo-Purkinje (JMPs) com suas respectivas coordenadas e tempos de ativação. Lembrando que as Junções-Músculo-Purkinje podem representar os primeiros pontos que são ativados no tecido cardíaco pela rede de Purkinje. Os mesmos podem ser aproximados a partir de um processamento de dados clinícos, seja por meio de um mapa eletroanatômico ou por meio de uma ressonância magnética do paciente.
Caso as Junções-Músculo-Purkinje sejam passadas na entrada do programa, o mesmo irá tentar conectar estes pontos da melhor maneira possível utilizando princípios de otimização.
Outro recurso que o programa Shocker possui é a possibilidade que usuário tem de inicializar a raiz inicial do método com uma estrutura construída anteriormente. Desta forma, é possível começar o crescimento da rede a partir de estruturas já conhecidas a partir de observações fisiológicas. Por exemplo, os feixes esquerdo e direito do Feixe de His podem ser construídos previamente usando diferentes técnicas de geração e ser considerada a raiz inicial do método. Uma segunda vantagem deste recurso é a possibilidade de extender uma determinada rede com novos ramos, de forma a preencher mais a superfície do endocárdio ou até mesmo conectar JMPs adicionais a uma estrutura de Purkinje inicial. Este tipo recurso ainda não tinha sido implementado nos geradores de rede Purkinje disponíveis na literatura.
Rede de Purkinje crescendo na superfície endocárdica de um ventrículo esquerdo usando o programa Shocker.
A medida que a rede cresce as Junções-Músculo-Purkinje vão sendo conectadas de forma a se aproximar do tempo ativação passado na entrada.
As redes de Purkinje geradas pelo programa Shocker são construídas de tal maneira que possibilitam que as mesmas sejam utilizadas em conjunto com o programa MonoAlg3D_C em simulações cardíacas. Abaixo seguem algumas simulações realizadas no programa MonoAlg3D_C com redes de Purkinje geradas pelo programa Shocker. Note que as superfícies endocárdicas possuem um nível de complexidade maior a medida que se avança nos exemplos.
Simulações geradas pelo MonoAlg3D com diferentes redes de Purkinje para uma Malha Biventricular Simplificada.
A esquerda no vídeo, uma rede de Purkinje base é utilizada como referência para ativação dos ventrículos.
Nos quadros central e direito, duas redes de Purkinje geradas a partir do programa Shocker procuram aproximar a ativação elétrica gerada pela rede de referência
Simulações geradas pelo MonoAlg3D com diferentes redes de Purkinje para uma Malha Biventricular Canina.
A esquerda no vídeo, uma rede de Purkinje base é utilizada como referência para ativação dos ventrículos.
Nos quadros central e direito, duas redes de Purkinje geradas a partir do programa Shocker procuram aproximar a ativação elétrica gerada pela rede de referência
Simulações geradas pelo MonoAlg3D com diferentes redes de Purkinje para uma Malha Biventricular de Paciente.
A esquerda no vídeo, uma rede de Purkinje base é utilizada como referência para ativação dos ventrículos.
Nos quadros central e direito, duas redes de Purkinje geradas a partir do programa Shocker procuram aproximar a ativação elétrica gerada pela rede de referência