Paralelização em um Ambiente de Memória Distribuída de um Simulador da Formação de Edemas no Coração

O objetivo deste trabalho é paralelizar um algoritmo que simula a formação de um edema no coração, usando para isso MPI, bem como analisar o seu desempenho em um cluster de computadores. Os resultados mostram que a versão paralela conseguiu reduzir o tempo de execução sequencial em até 14 vezes

Semana da Computação da UFJF: desafios e perspectivas entre os anos de 2017 e 2019

The UFJF Computing Week is an outreach event that has been taking place for over 20 years. With the help of Tutorial Education groups in the area of computing at the Federal University of Juiz de Fora (UFJF), the event has several contents aimed at the integral development of computing students. This article presents the challenges of the organization and the importance of the event, focusing on the last three editions carried out (2017, 2018 and 2019). The results demonstrate an excellent participation of the courses involved and their contribution to improving the quality of student training.A Semana da Computação da UFJF é um evento de extensão que acontece há mais de 20 anos. Com o auxílio dos grupos de Educação Tutorial da área de computação na Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), o evento possui uma programação bastante variada voltada para o desenvolvimento integral dos estudantes de computação. Este artigo apresenta os desafios da organização e a importância do evento, focando nas edições de 2017, 2018 e 2019. Os resultados demonstram uma ótima participação dos cursos envolvidos e a sua contribuição para a melhoria da qualidade da formação dos estudantes

Paranaguá, Antonina e Curitiba, início do século XIX: reconstituindo espaços e a lógica de sua organização social

This paper is to develop a methodology to characterize the spatial distribution in the early nineteenth century, the urban residents enrolled in the Décima of Paranaguá, Antonina and Curitiba, three villages in southern province of São Paulo. Here are the problems faced and decisions made, almost always temporary and arbitrary. The result reached hypothetical plants of subdivisions and urban streets of those towns. From a database - developed mainly with the information Lista Nominativa de Habitantes - it was possible to characterize residents enrolled in the books of property tax Décima. Spatialising thematic data in plants, where they lived was possible to perceive the social group, your choices (or lack thereof), or realize their preferred sites, but not exclusive housing.O objetivo desse artigo é desenvolver uma metodologia para caracterizar a espacialização, no início do século XIX, dos moradores arrolados nas décimas urbanas de Paranaguá, Antonina e Curitiba, três vilas do sul da capitania de São Paulo. Apresentamos aqui os problemas enfrentados e decisões tomadas, quase sempre provisórias e arbitrárias. O resultado chegou a plantas hipotéticas dos loteamentos e arruamentos urbanos daquelas vilas. A partir de um banco de dados - elaborado principalmente com informações das Listas Nominativas de Habitantes -, foi possível caracterizar os moradores arrolados nos livros de imposto predial de Décima. Espacializando esses dados em plantas temáticas, foi possível perceber onde moravam os grupo sociais, suas escolhas (ou a falta delas), ou seja, perceber seus locais preferenciais, mas não exclusivos, de habitação

Modelagem mecânica da formação de edemas

Edema is one of the most common symptoms found in infectious diseases along with heat, redness, and pain. Often, edema may be a consequence of interstitial fluid dynamics and their interactions with the immune system. So, when a pathogen enters into the body, the natural consequence is an immunological reaction triggered by the production of cytokines by macrophages. This immunological response recruits other immune cells, e.g. the neutrophils, responsible for seeking and destroying these foreign invaders. This physiological process can be mathematically modeled by a nonlinear system of partial differential equations (PDE) based on porous media approach. In order to simplify the model, just the interaction between neutrophils and pathogens (an unspecified bacteria) is considered. The interstitial fluid dynamics can be influenced by the lymphatic system, blood capillaries, along with the inflammatory reaction. Initially, this work presents an approximation using constant porosity followed by a second approach using the poroelasticity theory proposed by Biot. The influence of the immune system is coupled by the Starling equation which models the flow in the capillary membranes. The simulations were presented, mostly, in a unidimensional domain, in order to make easier the comprehension of the results. Moreover, a two-dimensional study in the heart short axis is also presented to simulate a bacterial myocarditis. The numerical method used in unidimensional simulations is the finite volume method (FVM) and for the two-dimensional simulation is the finite element method (FEM). Finally, this study makes a qualitative validation of the in silico results with in vivo experimental data, in order to evaluate the proposed model.Edema é um dos sintomas mais comuns em uma doença infecciosa, juntamente com calor, vermelhidão e dor. Muitas vezes, o edema é consequência da interação entre o sistema imunológico e a dinâmica do fluido intersticial. Deste modo, quando um patógeno entra no corpo de um animal, a consequência natural é uma reação imunológica ativada por citocinas produzidas pelos macrófagos. Esta resposta imune recruta outras células do sistema imunológico, e.g. neutrófilos, que são responsáveis por localizar e destruir estes invasores. Este processo fisiológico pode ser matematicamente descrito por um sistema não linear de equações diferenciais parciais (EDP) com uma aproximação em meios porosos. A fim de simplificar a modelagem, foi considerada somente a interação entre o neutrófilo e o patógeno (uma bactéria não especifica). A dinâmica do fluido intersticial pode ser influenciada pelo sistema linfático, capilares sanguíneos, além da reação inflamatória. Inicialmente, neste trabalho é apresentada uma aproximação com a porosidade constante, seguida por uma segunda abordagem utilizando a teoria da poroelasticidade proposta por Biot. A influência do sistema imune é feita por meio de um acoplamento com a equação de Starling, que modela o fluxo nas membranas capilares. As simulações foram apresentadas, em sua maioria, em um domínio unidimensional, a fim de facilitar a compreensão dos resultados. Além disso, um estudo de caso bidimensional no eixo curto do coração também é apresentado, para simular o edema devido a uma miocardite bacteriana. O método numérico utilizado para as simulações unidimensionais é o método dos volumes finitos (MVF) e para as simulações bidimensionais é o método dos elementos finitos (MEF). Finalmente, este estudo também realizou validações qualitativa dos resultados in silico com dados in vivo, a fim de avaliar a modelagem proposta.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio

A parallel numerical implementation for simulating tumor cell necrosis by local hyperthermia

Hyperthermia has been widely used in cancer treatment to destroy tumors. The main idea of the hyperthermia is to heat a specific region like a tumor so that above a threshold temperature the tumor cells are destroyed. This can be accomplished by many heat supply techniques and the use of magnetic nanoparticles that generate heat when an alternating magnetic field is applied has emerged as a promise technique. In the present paper, the Pennes bioheat transfer equation is adopted to model the thermal tumor ablation in the context of magnetic nanoparticles. Numerical simulations are carried out considering different injection sites for the nanoparticles in an attempt to achieve better hyperthermia conditions. Explicit finite difference method is employed to solve the equations. However, a large amount of computation is required for this purpose. Therefore, this work also presents an initial attempt to improve performance using OpenMP, a parallel programming API. Experimental results were quite encouraging: speedups around 35 were obtained on a 64-core machine.A hipertermia é amplamente utilizada no tratamento de câncer para destruir tumores. A ideia principal da hipertermia é aquecer uma região específica, como um tumor, de modo que acima de um limiar de temperatura as células tumorais sejam destruídas. Isto pode ser realizado por diversas técnicas de fornecimento de calor e a utilização de nanopartículas magnéticas, que geram calor quando um campo magnético alternado é aplicado, é atualmente uma técnica promissora. No presente trabalho, a equação de Pennes de biotransferênia de calor é adotada para modelar a ablação térmica de tumores, no contexto de nanopartículas magnéticas. O método das diferenças finitas explícito é empregado para resolver as equações. No entanto, uma grande quantidade de computação é necessária para este propósito. Portanto, este trabalho também apresenta uma primeira tentativa de melhorar o desempenho usando OpenMP, uma API de programação paralela. Os resultados experimentais foram bastante animadores: speedups de cerca de 35 foram obtidos em uma máquina de 64 cores.

Simulações numéricas 3D em ambiente paralelo de hipertermia com nanopartículas magnéticas

This work deals with the numerical modeling of solid tumor treatments with hyperthermia using magnetic nanoparticles considering a 3D bioheat transfer model proposed by Pennes(1948). Two different possibilities of blood perfusion were compared, the first assumes a constant value, and the second one a temperature-dependent function. The living tissue was modeled with skin, fat and muscle layers, in addition to the tumor. The model solution was approximated with the finite difference method (FDM) in an heterogeneous medium. Due to different blood perfusion parameters, a system of linear equations (constant perfusion), and a system of nonlinear equations (temperaturedependent perfusion) were obtained. To discretize the time domain, two explicit numerical strategies were used, the first one was using the classical Euler method, and the second one a predictor-corrector algorithm originated from the generalized trapezoidal alpha-family of time integration methods. Since the computational time required to solve a threedimensional model is large, two different parallel strategies were applied to the numerical method. The first one uses the OpenMP parallel programming API, and the second one the CUDA platform. The experimental results showed that the parallelization using OpenMP improves the performance up to 39 times faster than the sequential execution time, and the CUDA version was also efficient, yielding gains up to 242 times faster than the sequential execution time. Thus, this result ensures an execution time twice faster than the biological phenomenon.Este estudo tem como objetivo a modelagem numérica do tratamento de tumores sólidos com hipertermia utilizando nanopartículas magnéticas, considerando o modelo tridimensional de biotransferência de calor proposto por Pennes (1948). Foram comparadas duas diferentes possibilidades de perfusão sanguínea, a primeira constante e, a segunda, dependente da temperatura. O tecido é modelado com as camadas de pele, gordura e músculo, além do tumor. Para encontrar a solução aproximada do modelo foi aplicado o método das diferenças finitas (MDF) em um meio heterogêneo. Devido aos diferentes parâmetros de perfusão, foram obtidos sistemas de equações lineares (perfusão constante) e não lineares (perfusão dependente da temperatura). No domínio do tempo foram utilizados dois esquemas numéricos explícitos, o primeiro utilizando o método clássico de Euler e o segundo um algoritmo do tipo preditor-corretor adaptado dos métodos de integração generalizada da família-alpha trapezoidal. Uma vez que a execução de um modelo tridimensional demanda um alto custo computacional, foram empregados dois esquemas de paralelização do método numérico, o primeiro baseado na API de programação paralela OpenMP e o segundo com a plataforma CUDA. Os resultados experimentais mostraram que a paralelização em OpenMP obteve aceleração de até 39 vezes comparada com a versão serial, e, além disto, a versão em CUDA também foi eficiente, obtendo um ganho de 242 vezes, também comparando-se com o tempo de execução sequencial. Assim, o resultado da execução é obtido cerca de duas vezes mais rápido do que o fenômeno biológico.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio

A 3D Approach Using a Control Algorithm to Minimize the Effects on the Healthy Tissue in the Hyperthermia for Cancer Treatment

According to the World Health Organization, cancer is a worldwide health problem. Its high mortality rate motivates scientists to study new treatments. One of these new treatments is hyperthermia using magnetic nanoparticles. This treatment consists in submitting the target region with a low-frequency magnetic field to increase its temperature over 43 °C, as the threshold for tissue damage and leading the cells to necrosis. This paper uses an in silico three-dimensional Pennes’ model described by a set of partial differential equations (PDEs) to estimate the percentage of tissue damage due to hyperthermia. Differential evolution, an optimization method, suggests the best locations to inject the nanoparticles to maximize tumor cell death and minimize damage to healthy tissue. Three different scenarios were performed to evaluate the suggestions obtained by the optimization method. The results indicate the positive impact of the proposed technique: a reduction in the percentage of healthy tissue damage and the complete damage of the tumors were observed. In the best scenario, the optimization method was responsible for decreasing the healthy tissue damage by 59% when the nanoparticles injection sites were located in the non-intuitive points indicated by the optimization method. The numerical solution of the PDEs is computationally expensive. This work also describes the implemented parallel strategy based on CUDA to reduce the computational costs involved in the PDEs resolution. Compared to the sequential version executed on the CPU, the proposed parallel implementation was able to speed the execution time up to 84.4 times

Paralelização em um Ambiente de Memória Distribuída de um Simulador da Formação de Edemas no Coração

O objetivo deste trabalho é paralelizar um algoritmo que simula a formação de um edema no coração, usando para isso MPI, bem como analisar o seu desempenho em um cluster de computadores. Os resultados mostram que a versão paralela conseguiu reduzir o tempo de execução sequencial em até 14 vezes

Finite Element Methods for Large-Strain Poroelasticity/Chemotaxis Models Simulating the Formation of Myocardial Oedema

In this paper we propose a novel coupled poroelasticity-diffusion model for the formation of extracellular oedema and infectious myocarditis valid in large deformations, manifested as an interaction between interstitial flow and the immune-driven dynamics between leukocytes and pathogens. The governing partial differential equations are formulated in terms of skeleton displacement, fluid pressure, Lagrangian porosity, and the concentrations of pathogens and leukocytes. A five-field finite element scheme is proposed for the numerical approximation of the problem, and we provide the stability analysis for a simplified system emanating from linearisation. We also discuss the construction of an adequate, Schur complement based, nested preconditioner. The produced computational tests exemplify the properties of the new model and of the finite element schemes.Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)Australian Research CouncilMinistry of Science and Higher Education of the Russian FederationUCR::Sedes Regionales::Sede de Occidente::Recinto San RamónUCR::Vicerrectoría de Docencia::Ciencias Básicas::Facultad de Ciencias::Escuela de Matemátic