虛擬心臟電生理模型并行計算方法.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規(guī)律和心臟疾病的發(fā)病機制及預防方法,已被成功應用到科學研究、疾病診斷和預防、藥物研發(fā)等領域。隨著心臟幾何數(shù)據(jù)的分辨率越來越大,心肌細胞模型越來越精細,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計方案,提高虛擬心臟電生理模型并行仿真

2、效率,降低時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,降低時間消耗,具體內容如下:
　　(1)針對TNNP模型中的傳導擴散方程,設計顯式、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

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。并設計算法對左心室?guī)缀螖?shù)據(jù)的邊界噪聲點進行預處理。
　　(3)對本文提出的數(shù)值方法進行合理的并行設計。針對機群系統(tǒng)的特點,合理設計數(shù)據(jù)區(qū)域分解、內存分配以及通信方案,并提出負載均衡衡量方法和動態(tài)負載平衡算法,使得計算過程中的

4、負載能達到動態(tài)平衡。
　　(4)對實驗結果進行可視化輸出,并分別對單細胞動作電位和電位在左心室組織上的傳導仿真結果從仿真精度、時間效率和加速比的角度進行分析。本文設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