驾驭式虚拟心脏仿真系统的设计与实现

发布时间：2017-07-16 21:36

  本文关键词：驾驭式虚拟心脏仿真系统的设计与实现

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【摘要】：心脏疾病是威胁人类健康的一大杀手,借助计算机仿真可以对心脏的工作原理、致病机制和药物影响进行定量和定性的研究。但是,进行虚拟心脏仿真的效率问题一直困扰着相关研究人员。一方面,进行仿真实验时经常需要在实验进行过程中修改参数,试验相关参数对实验的影响。每次修改参数,都需要重新开始仿真实验,修改参数之前的仿真计算存在浪费时间的问题,造成了实验效率的低下。本文提出借助驾驭式计算技术来解决这一问题。另一方面,在进行组织模型仿真时计算量非常巨大,使用基于CPU的算法只能借助服务器集群技术才能使得虚拟心脏仿真成为可能,但是服务器集群硬件成本过高,本文讨论了基于GPU的并行算法来解决仿真计算的效率问题,使得在个人计算机上进行虚拟心脏仿真成为可能。系统采用客户端/服务器模式,客户端采用QT图形界面技术和VTK数据绘制技术作为基础构件,使用Python语言编写。驾驭式控制逻辑使用有穷状态自动机描述。定义了一种基于TCP协议的通信方法在客户端与服务端之间进行通信。服务端使用CUDA(Compute Unified Device Architecture)技术实现了一种虚拟心脏仿真的GPU并行计算算法,以及在多GPU系统上扩展的算法。采用动态链接库技术并结合Lua语言实现了一种细胞模型无关的仿真计算框架,使得系统可以方便的扩展新的细胞模型。本文通过从纵向对比了CPU仿真算法与GPU并行仿真算法的速度,表明GPU并行算法在数据量较大时具有非常明显的优势。从横向对比了单GPU与多GPU算法的速度,结果表明在组织模型中有多种细胞时,多GPU算法可以获得更好的性能,当组织模型中只有一种细胞时,多GPU算法与单GPU算法性能相同。虚拟心脏仿真为人们研究心脏工作机制、心脏致病机理提供了一种有效的研究方法,本文将驾驭式计算方法与虚拟心脏仿真结合,同时使用GPU并行计算算法,能够有效地提高仿真实验的效率,为相关研究人员提供了一个有力的研究平台。
【关键词】：虚拟心脏 驾驭式 GPU CUDA 仿真
【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】：2015
【分类号】：R541;TP391.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-13
• 1.1 课题来源8
• 1.2 课题背景与研究意义8-9
• 1.3 国内外研究现状9-11
• 1.4 本文的主要研究内容11-13
• 第2章 虚拟心脏电生理模型与计算13-19
• 2.1 心肌细胞模型13-15
• 2.2 心肌组织模型15-17
• 2.3 数值求解方法17-18
• 2.4 本章小结18-19
• 第3章 GPU加速方法与计算框架设计19-33
• 3.1 CUDA编程模型19-21
• 3.2 GPU并行运算算法及多显卡系统上的扩展算法21-26
• 3.2.1 仿真运算的GPU加速方法21-23
• 3.2.2 多显卡系统上的扩展23-26
• 3.3 细胞模型无关的虚拟心脏仿真框架26-32
• 3.3.1 Lua语言与C++语言的交互26-28
• 3.3.2 细胞模型无关仿真框架的设计28-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 驾驭式计算服务器与客户端的设计33-46
• 4.1 客户端服务器总体架构与通信协议33-34
• 4.1.1 总体架构33-34
• 4.1.2 通信协议34
• 4.2 驾驭式系统服务器的设计34-39
• 4.2.1 组织模型几何数据解析34-36
• 4.2.2 仿真计算36-38
• 4.2.3 仿真计算结果数据的读写38-39
• 4.3 驾驭式系统客户端的设计39-45
• 4.3.1 客户端通信机制的设计39-40
• 4.3.2 驾驭式状态机的设计40-42
• 4.3.3 参数的可视化编辑42-44
• 4.3.4 驾驭式图形控制接口的设计44-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第5章 系统功能与性能测试46-54
• 5.1 系统功能测试46-51
• 5.1.1 通信模块测试46-47
• 5.1.2 体数据可视化测试47-48
• 5.1.3 参数可视化编辑测试48-49
• 5.1.4 仿真计算测试49-50
• 5.1.5 仿真状态保存与恢复测试50-51
• 5.2 系统性能测试51-52
• 5.3 本章小结52-54
• 结论54-55
• 参考文献55-59
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果59-61
• 致谢61

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 李安,李东;心室肌动作电位的计算机建模与仿真[J];计算机仿真;2002年06期

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4 刘继军;二维热传导方程的三层显式差分格式[J];应用数学和力学;2003年05期

5 刘金秋;计算机模拟心脏电生理的研究进展[J];中国心脏起搏与心电生理杂志;2001年01期

6 张力峰,刘锋,吕维雪;虚拟心脏的研究与应用[J];中国医疗器械杂志;2000年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王昱;偏微分方程的小波求解法及其在燃烧计算中的初步应用[D];国防科学技术大学;2008年

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本文编号：550659