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1、碩碩碩士士士學(xué)學(xué)學(xué)位位位論論論文文文虛擬心臟電生理模型并行計算方法PARALLELCOMPUTINGMETHODSFORELECTROPHYSIOLOGYMODELSOFVIRTUALHEART王王王連連連清清清哈哈哈爾爾爾濱濱濱工工工業(yè)業(yè)業(yè)大大大學(xué)學(xué)學(xué)2012年年年6月月月國內(nèi)圖書分類號：TP391.41學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：TN911.73密級：公開工工工學(xué)學(xué)學(xué)碩碩碩士士士學(xué)學(xué)學(xué)位位位論論論文文文虛擬心臟電生理模型并行計算方法碩士研究生：王連清導(dǎo)師：王寬全教授申請學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科：計算機科學(xué)與技術(shù)所
2、在單位：計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院答辯日期：2012年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TP391.41U.D.C:TN911.73DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPARALLELCOMPUTINGMETHODSFORELECTROPHYSIOLOGYMODELSOFVIRTUALHEARTCandidate:WangLianqingSupervisor:Prof.WangKuanquanAcademicDegreeAppliedfor:Ma
3、sterofEngineeringSpecialty:ComputerScienceandTechnologyA?liation:SchoolofComputerScienceandTechnologyDateofDefence:June,2012Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要心臟電生理建模和仿真有助于人類掌握心臟組織中電傳導(dǎo)規(guī)律和心臟疾病的發(fā)病機制及預(yù)防方法，已被成功應(yīng)用到科學(xué)研究、疾病診斷和預(yù)防、藥
4、物研發(fā)等領(lǐng)域。隨著心臟幾何數(shù)據(jù)的分辨率越來越大，心肌細(xì)胞模型越來越精細(xì)，對虛擬心臟電生理模型的高精度、高效率的仿真計算成為一項新的計算挑戰(zhàn)，龐大的存儲和計算需求使得使用高性能計算機并行求解電生理模型成為一種主流趨勢。采用高效穩(wěn)定的數(shù)值方法、高精度的邊界處理方式和合理的并行設(shè)計方案，提高虛擬心臟電生理模型并行仿真效率，降低時間消耗具有重大意義。本文基于虛擬心臟tenTusscher-Noble-Noble-Pan?lov（TNNP）電生理模型，采用大規(guī)模左心室數(shù)據(jù)進行電生理并行仿真，并在保證算法的精度和收斂、穩(wěn)定的條件下
5、，致力于加快模型并行仿真速度，降低時間消耗，具體內(nèi)容如下：（1）針對TNNP模型中的傳導(dǎo)擴散方程，設(shè)計顯式、適合并行，并且計算誤差相對于常規(guī)方法較小，收斂范圍廣能取得大時間步長的數(shù)值差分格式，用于提高并行電生理仿真速度。（2）提出高精度整體邊界處理法，用于無通量邊界條件的計算，方法在計算過程中無需對每個節(jié)點進行跟蹤，能在每次迭代之前實現(xiàn)自動賦值，效率和精度較高，更適合并行計算和不規(guī)則邊界的處理。并設(shè)計算法對左心室?guī)缀螖?shù)據(jù)的邊界噪聲點進行預(yù)處理。（3）對本文提出的數(shù)值方法進行合理的并行設(shè)計。針對機群系統(tǒng)的特點，合理設(shè)計數(shù)
6、據(jù)區(qū)域分解、內(nèi)存分配以及通信方案，并提出負(fù)載均衡衡量方法和動態(tài)負(fù)載平衡算法，使得計算過程中的負(fù)載能達(dá)到動態(tài)平衡。（4）對實驗結(jié)果進行可視化輸出，并分別對單細(xì)胞動作電位和電位在左心室組織上的傳導(dǎo)仿真結(jié)果從仿真精度、時間效率和加速比的角度進行分析。本文設(shè)計的并行仿真方案使用32個CPU（主頻均為2.53GHz）仿真400ms，在保證精度和收斂性的情況下僅需要6.08小時，將時間消耗減小到對比實驗方案的1/6，并且加速比達(dá)到12.83。本文的研究能夠加快虛擬心臟電生理模型仿真速度，使得對其的仿真研究更具有實際應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞
7、：心臟電生理仿真；并行計算；動態(tài)負(fù)載平衡；有限差分方法；無通量邊界處理-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractModelingandsimulationincardiacelectrophysiologycanhelphumanbeingstos-tudythepotentialconductioninthehearttissue,alsothepathogenesisandpreventionmethodsofheartdisease(e.g.Arrhythmiaandventricular?brilla
8、tion),whichhasbeensuccessfullyappliedtoscienti?cresearches,diseasediagnosisandprevention,drugre-searches,andsoon.Astheresolutionofcardiacgeometrydatagetsmuchlarger,an
