基于集群系统的虚拟心脏并行计算方法的研究

发布时间：2020-06-09 07:23

【摘要】：虚拟心脏是综合运用计算机强大的计算能力以及图形显示能力,对真实心脏的解剖结构、电生理等方面的特性进行仿真。虚拟心脏电生理仿真数学模型由常微分方程组构成的心肌细胞模型和反应扩散形式偏微分方程的心脏组织模型两个部分组成。随着心肌细胞模型越来越丰富和心脏组织模型越来越精细,虚拟心脏仿真计算规模越来越大。庞大的计算量已经成为虚拟心脏研究发展的瓶颈。为了提高虚拟心脏模型计算速度,本文从快速数值计算方法和并行计算两个方面开展了研究。首先,根据心肌细胞动作电位信号的特征和心脏组织模型反应扩散过程相对独立的特点,提出一种变时间步长自适应数值方法,并与龙格库塔法进行比较,在效率和精度方面进行分析。其次,针对包含几百万个心肌细胞模型的三维心脏组织模型,进行了并行化计算方法研究,提出了二分区域分解法和标准差权重调节法两种区域分解法,并进行了加速性能分析。最后,在32个CPU集群环境下,采用MPI技术实现变时间步长自适应方法,并进行心脏电生理活动的初步仿真研究。仿真结果显示,本文提出的方法将心脏组织模型的计算效率提高了一个数量级,并能够正确模拟心室电传导过程。为虚拟心脏研究提供了一个高效的研究手段。
【图文】：

示意图,心肌细胞动作电位,示意图,离子

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文离子是在电解液中存在，而在脂类物质中很难游离产生离子。细胞膜质膜，是疏水性的膜。而离子是在细胞内液与外液中，因此离子不能细胞膜。在细胞膜中镶嵌着多种蛋白质。这些蛋白质中形成亲水性通可以通过这些蛋白质，这就是离子通道。离子通道对于离子通过具有基本不允许其他种离子通过或者即使允许其他离子通过，则通过的效的低。离子通道不总是开放的，，还有不开放状态，而不开放状态又分态和失活状态。只有离子通道处于开放状态时，才允许这种离子通过4]。图 2-1 中在两条虚线之间就是细胞膜，细胞膜的两层脂类结构中嵌入绿色的条带表示的即为离子通道，细胞膜下方为细胞内，上方为细胞胞内外的圆形和十字形表示两种离子，可以看出，细胞膜内外的离子相同。.2 心肌细胞模型及兴奋扩散传播模型2.1 心肌细胞模型

轮廓图,心脏

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.3.3 虚拟心脏模型的区域分解虚拟心脏模型所包含的每个心肌细胞模型的电生理都是由公式(2-13)描述，因此求解每一个心肌细胞模型节点的同一时刻的动作电位都是由同样的执行代码来求解。这种由同样执行代码解决问题的并行方式可以通过区域分解的方法。对每一个分解区域分派到不同的 CPU 进行求解[8,38]。区域分解之前首先进行的任务是将心脏数据化，即通过计算机能够来表示心脏模型。实现手段是将心脏做切片，片与片之间的间隔非常之小，图 3-2左图中显示的为犬心脏的一个切片数据，黑色部分表示无心肌细胞，蓝色的表示心肌组织部分。切片图片的分辨率为 256 256，将此切片数据通过图像处理输出心脏切片模型，有蓝色像素点的位置输出 1，否则输出为 0，也就是说将此心脏切片图片用数字 0 和 1 表示心肌细胞模型，每一个 1 表示的像素点都表示一个心肌细胞模型，此切片包含的心肌模型数目为 18048 个。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：R318.0;TP338.6

【参考文献】