虚拟心脏电生理模型并行计算方法.pdf

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1、硕硕硕士士士学学学位位位论论论文文文虚拟心脏电生理模型并行计算方法PARALLELCOMPUTINGMETHODSFORELECTROPHYSIOLOGYMODELSOFVIRTUALHEART王王王连连连清清清哈哈哈尔尔尔滨滨滨工工工业业业大大大学学学2012年年年6月月月国内图书分类号：TP391.41学校代码：10213国际图书分类号：TN911.73密级：公开工工工学学学硕硕硕士士士学学学位位位论论论文文文虚拟心脏电生理模型并行计算方法硕士研究生：王连清导师：王宽全教授申请学位：工学硕士学科：计算机科学与技术所

2、在单位：计算机科学与技术学院答辩日期：2012年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP391.41U.D.C:TN911.73DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPARALLELCOMPUTINGMETHODSFORELECTROPHYSIOLOGYMODELSOFVIRTUALHEARTCandidate:WangLianqingSupervisor:Prof.WangKuanquanAcademicDegreeAppliedfor:Ma

3、sterofEngineeringSpecialty:ComputerScienceandTechnologyAffiliation:SchoolofComputerScienceandTechnologyDateofDefence:June,2012Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要心脏电生理建模和仿真有助于人类掌握心脏组织中电传导规律和心脏疾病的发病机制及预防方法，已被成功应用到科学研究、疾病诊断和预防、药

4、物研发等领域。随着心脏几何数据的分辨率越来越大，心肌细胞模型越来越精细，对虚拟心脏电生理模型的高精度、高效率的仿真计算成为一项新的计算挑战，庞大的存储和计算需求使得使用高性能计算机并行求解电生理模型成为一种主流趋势。采用高效稳定的数值方法、高精度的边界处理方式和合理的并行设计方案，提高虚拟心脏电生理模型并行仿真效率，降低时间消耗具有重大意义。本文基于虚拟心脏tenTusscher-Noble-Noble-Panfilov（TNNP）电生理模型，采用大规模左心室数据进行电生理并行仿真，并在保证算法的精度和收敛、稳定的条件下

5、，致力于加快模型并行仿真速度，降低时间消耗，具体内容如下：（1）针对TNNP模型中的传导扩散方程，设计显式、适合并行，并且计算误差相对于常规方法较小，收敛范围广能取得大时间步长的数值差分格式，用于提高并行电生理仿真速度。（2）提出高精度整体边界处理法，用于无通量边界条件的计算，方法在计算过程中无需对每个节点进行跟踪，能在每次迭代之前实现自动赋值，效率和精度较高，更适合并行计算和不规则边界的处理。并设计算法对左心室几何数据的边界噪声点进行预处理。（3）对本文提出的数值方法进行合理的并行设计。针对机群系统的特点，合理设计数

6、据区域分解、内存分配以及通信方案，并提出负载均衡衡量方法和动态负载平衡算法，使得计算过程中的负载能达到动态平衡。（4）对实验结果进行可视化输出，并分别对单细胞动作电位和电位在左心室组织上的传导仿真结果从仿真精度、时间效率和加速比的角度进行分析。本文设计的并行仿真方案使用32个CPU（主频均为2.53GHz）仿真400ms，在保证精度和收敛性的情况下仅需要6.08小时，将时间消耗减小到对比实验方案的1/6，并且加速比达到12.83。本文的研究能够加快虚拟心脏电生理模型仿真速度，使得对其的仿真研究更具有实际应用价值。关键词

7、：心脏电生理仿真；并行计算；动态负载平衡；有限差分方法；无通量边界处理-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractModelingandsimulationincardiacelectrophysiologycanhelphumanbeingstos-tudythepotentialconductioninthehearttissue,alsothepathogenesisandpreventionmethodsofheartdisease(e.g.Arrhythmiaandventricularfibrilla

8、tion),whichhasbeensuccessfullyappliedtoscientificresearches,diseasediagnosisandprevention,drugre-searches,andsoon.Astheresolutionofcardiacgeometrydatagetsmuchlarger,an