【摘要】：虛擬心臟是綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力以及圖形顯示能力,對真實(shí)心臟的解剖結(jié)構(gòu)、電生理等方面的特性進(jìn)行仿真。虛擬心臟電生理仿真數(shù)學(xué)模型由常微分方程組構(gòu)成的心肌細(xì)胞模型和反應(yīng)擴(kuò)散形式偏微分方程的心臟組織模型兩個部分組成。隨著心肌細(xì)胞模型越來越豐富和心臟組織模型越來越精細(xì),虛擬心臟仿真計(jì)算規(guī)模越來越大。龐大的計(jì)算量已經(jīng)成為虛擬心臟研究發(fā)展的瓶頸。為了提高虛擬心臟模型計(jì)算速度,本文從快速數(shù)值計(jì)算方法和并行計(jì)算兩個方面開展了研究。 首先,根據(jù)心肌細(xì)胞動作電位信號的特征和心臟組織模型反應(yīng)擴(kuò)散過程相對獨(dú)立的特點(diǎn),提出一種變時間步長自適應(yīng)數(shù)值方法,并與龍格庫塔法進(jìn)行比較,在效率和精度方面進(jìn)行分析。 其次,針對包含幾百萬個心肌細(xì)胞模型的三維心臟組織模型,進(jìn)行了并行化計(jì)算方法研究,提出了二分區(qū)域分解法和標(biāo)準(zhǔn)差權(quán)重調(diào)節(jié)法兩種區(qū)域分解法,并進(jìn)行了加速性能分析。 最后,在32個CPU集群環(huán)境下,采用MPI技術(shù)實(shí)現(xiàn)變時間步長自適應(yīng)方法,并進(jìn)行心臟電生理活動的初步仿真研究。 仿真結(jié)果顯示,本文提出的方法將心臟組織模型的計(jì)算效率提高了一個數(shù)量級,并能夠正確模擬心室電傳導(dǎo)過程。為虛擬心臟研究提供了一個高效的研究手段。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文離子是在電解液中存在，而在脂類物質(zhì)中很難游離產(chǎn)生離子。細(xì)胞膜質(zhì)膜，是疏水性的膜。而離子是在細(xì)胞內(nèi)液與外液中，因此離子不能細(xì)胞膜。在細(xì)胞膜中鑲嵌著多種蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)中形成親水性通可以通過這些蛋白質(zhì)，這就是離子通道。離子通道對于離子通過具有基本不允許其他種離子通過或者即使允許其他離子通過，則通過的效的低。離子通道不總是開放的，，還有不開放狀態(tài)，而不開放狀態(tài)又分態(tài)和失活狀態(tài)。只有離子通道處于開放狀態(tài)時，才允許這種離子通過4]。圖 2-1 中在兩條虛線之間就是細(xì)胞膜，細(xì)胞膜的兩層脂類結(jié)構(gòu)中嵌入綠色的條帶表示的即為離子通道，細(xì)胞膜下方為細(xì)胞內(nèi)，上方為細(xì)胞胞內(nèi)外的圓形和十字形表示兩種離子，可以看出，細(xì)胞膜內(nèi)外的離子相同。.2 心肌細(xì)胞模型及興奮擴(kuò)散傳播模型2.1 心肌細(xì)胞模型

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文3.3.3 虛擬心臟模型的區(qū)域分解虛擬心臟模型所包含的每個心肌細(xì)胞模型的電生理都是由公式(2-13)描述，因此求解每一個心肌細(xì)胞模型節(jié)點(diǎn)的同一時刻的動作電位都是由同樣的執(zhí)行代碼來求解。這種由同樣執(zhí)行代碼解決問題的并行方式可以通過區(qū)域分解的方法。對每一個分解區(qū)域分派到不同的 CPU 進(jìn)行求解[8,38]。區(qū)域分解之前首先進(jìn)行的任務(wù)是將心臟數(shù)據(jù)化，即通過計(jì)算機(jī)能夠來表示心臟模型。實(shí)現(xiàn)手段是將心臟做切片，片與片之間的間隔非常之小，圖 3-2左圖中顯示的為犬心臟的一個切片數(shù)據(jù)，黑色部分表示無心肌細(xì)胞，藍(lán)色的表示心肌組織部分。切片圖片的分辨率為 256 256，將此切片數(shù)據(jù)通過圖像處理輸出心臟切片模型，有藍(lán)色像素點(diǎn)的位置輸出 1，否則輸出為 0，也就是說將此心臟切片圖片用數(shù)字 0 和 1 表示心肌細(xì)胞模型，每一個 1 表示的像素點(diǎn)都表示一個心肌細(xì)胞模型，此切片包含的心肌模型數(shù)目為 18048 個。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：R318.0;TP338.6

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 李安,李東;心室肌動作電位的計(jì)算機(jī)建模與仿真[J];計(jì)算機(jī)仿真;2002年06期

2 ;Integrated research of parallel computing:Status and future[J];Chinese Science Bulletin;2009年11期

3 金印彬,楊琳,張虹,闊永紅,黃詒焯,蔣大宗;二維心室肌中動作電位傳導(dǎo)的數(shù)值算法研究[J];西安交通大學(xué)學(xué)報;2004年08期

4 劉繼軍;二維熱傳導(dǎo)方程的三層顯式差分格式[J];應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué);2003年05期

5 劉金秋;計(jì)算機(jī)模擬心臟電生理的研究進(jìn)展[J];中國心臟起搏與心電生理雜志;2001年01期

6 張力峰,劉鋒,呂維雪;虛擬心臟的研究與應(yīng)用[J];中國醫(yī)療器械雜志;2000年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王昱;偏微分方程的小波求解法及其在燃燒計(jì)算中的初步應(yīng)用[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王棟;算子分裂法及其在解拋物型方程中的應(yīng)用[D];吉林大學(xué);2009年

本文編號：2704353