驾驭式虚拟心脏仿真系统的设计与实现

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1、硕士学位论文驾驭式虚拟心脏仿真系统的设计与实现THESYSTEMOFVIRTUALHEARTBASEDONCOMPUTATIONALSTEERING谢松君哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP391.9学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文驾驭式虚拟心脏仿真系统的设计与实现硕士研究生：谢松君导师：王宽全教授申请学位：工程硕士学科：计算机技术所在单位：计算机科学与技术学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP391.9U.D.C:621.3

2、DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHESYSTEMOFVIRTUALHEARTBASEDONCOMPUTATIONALSTEERINGCandidate：XieSongjunSupervisor：Prof.WangKuanquanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ComputerScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofComputerScienceandTechn

3、ologyDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文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

4、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CU

5、DA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture）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

6、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-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractHeartdiseaseisamajorthreattohumanhealthkiller,canbestudiedbymeansofcomputersimulationintheheartofquantitati

7、veandqualitativeworks,pathogen-esisanddruginfluence.Butthevirtualheartsimulationefficiencyhasbeenplaguedbyresearchstaff.Ontheonehand,oftenyouneedtomodifytheparametersaffectthetestparam-etersoftheexperimentduringthecourseoftheexperimentsimulationexperiments.Eachtimeyou

8、modifyparameters,youneedtorestartthesimulation,thereisaprob-lemofwastingtimebeforemodifyingparameters,resultinginlowefficien