虛擬心臟電生理模型并行計(jì)算方法.pdf

1、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(jī)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(duì)虛擬心臟電生理模型的高精度、高效率的仿真計(jì)算成為一項(xiàng)新的計(jì)算挑戰(zhàn),龐大的存儲(chǔ)和計(jì)算需求使得使用高性能計(jì)算機(jī)并行求解電生理模型成為一種主流趨勢(shì)。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(jì)方案,提高虛擬心臟電生理模型并行仿真

2、效率,降低時(shí)間消耗具有重大意義。
　　本文基于虛擬心臟ten Tusscher-Noble-Noble-Panfilov(TNNP)電生理模型,采用大規(guī)模左心室數(shù)據(jù)進(jìn)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,致力于加快模型并行仿真速度,降低時(shí)間消耗,具體內(nèi)容如下:
　　(1)針對(duì)TNNP模型中的傳導(dǎo)擴(kuò)散方程,設(shè)計(jì)顯式、適合并行,并且計(jì)算誤差相對(duì)于常規(guī)方法較小,收斂范圍廣能取得大時(shí)間步長的數(shù)值差分格式,用于提高

3、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(jì)算,方法在計(jì)算過程中無需對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤,能在每次迭代之前實(shí)現(xiàn)自動(dòng)賦值,效率和精度較高,更適合并行計(jì)算和不規(guī)則邊界的處理。并設(shè)計(jì)算法對(duì)左心室?guī)缀螖?shù)據(jù)的邊界噪聲點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理。
　　(3)對(duì)本文提出的數(shù)值方法進(jìn)行合理的并行設(shè)計(jì)。針對(duì)機(jī)群系統(tǒng)的特點(diǎn),合理設(shè)計(jì)數(shù)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(dòng)態(tài)負(fù)載平衡算法,使得計(jì)算過程中的

4、負(fù)載能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
　　(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行可視化輸出,并分別對(duì)單細(xì)胞動(dòng)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(shí)間效率和加速比的角度進(jìn)行分析。本文設(shè)計(jì)的并行仿真方案使用32個(gè)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(shí),將時(shí)間消耗減小到對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)其的仿真研究更具有實(shí)際