61500字论文范文心脏跳动的计算机模拟及其分布式软件架构设计

论文类型：论文范文

论文字数：61500字

论点：模型,心脏,仿真

论文概述：

本论文是计算机仿真论文，主要论述了心脏是循环系统的核心，它集机、电、神经和生化控制于一体，综合建模难度很大，目前尚无较理想的统一模型。

论文正文：

第一章导言

 1.1心电仿真建模的研究概况心脏一躯体系统的模型是心电场逆问题研究的基础。模型的建立与逆问题研究的推断对象、采用的数值方法及研究的目的等因素有关。早期逆问题研究的推断对象是等价心脏源或偶极子源，所用模型是置J二简化或实际胸腔体内的等价心脏源模型。当逆问题研究以心外膜电位为推断对象时，所用模型是置于简化或实际胸腔体内的心外膜电位分布模型。为了检验逆问题解的可靠性及各种因素(胸腔几何参数、组织的传导参数、心脏等价源参数及各种数值方法等因素)对解的精度与稳定性影响的程度，人们采用了一类能够容易获得体表电位和心外膜电位分布解析解的“仿真模型”，它们是对心脏一躯体系统理想化了的一类模型。典型的“仿真模型”是同心球模型和偏心球模型，同心球模型(Barr等，1977)将心脏一躯体系统简化为两个同心球，内球为心脏，外球为胸腔;偏心球模型将心脏一躯体系统简化为一种单一模型，这种模型首先由(Rudy和plonsey，1979)提出的，后来，由(Messinger一Rapport等，1986)将该模型用于心电场逆问题的研究。用“仿真模型”研究心电场逆问题的基本思路是:首先，假设心脏是某一给定的“等价源”或心外膜电位分布，由“仿真模型”得到心脏一躯体系统的传递函数(g(t));然后，利用电磁场的有关理论求出体表电位的精确解一解析解，即一个正向过程;将体表电位的解析解以某种方式进行“离散化”处理，并利用相同的模型及选用的数值方法反向求解心脏“源”或心外膜电位分布，即一个反向过程。最后，将给定的心脏“源”或心外膜电位分布信息与计算得到的心脏电信息进行比较，验证逆问题解的可靠性及各种系统参数对解的稳定性与精度的影响情况。....... 1.2心电建模仿真研究的最新进展在心电计算机仿真方面，心脏模型经历了从简单到复杂的过程。随着心电正问题和心电逆问题的深入发展，对于心电仿真模型的精度要求越来越高。在前期，学者们大多致力于将心脏模型做更为精细的划分，构造更为复杂全面的兴奋仿真算法;近年来的研究热点大多在于对心脏模型本身进行改造，比如考虑人体容积导体的各相异性，考虑心脏电兴奋传播的各相异性，针对不同类型的人体构造不同躯干模型等。在考虑心肌兴奋传播的各相异性方面，(Clere，1976)和(Roberts，1979)研究了各向异性对兴奋传播波前(wavefront)和跨膜电位的影响，但这些研究仅限于考查各向异性的局部影响。为考查各向异性的全局影响，(LV.Corbin，s.spaggiari，1977)和(s.watbe等，1987)在这方面作过研究，但其深度和广度都是很粗浅的。(pieroColli一Franzone等，1952)在构造各向异性的模型方面作过一些前期的和基础性的研究工作，但这个模型并不是针对整个心脏而言的。(MLorange和R.M.Guirajani，1986)首次建立了包含各向异性的心脏模型，但这个模型有两个方面的不足:没包含纤维方向的旋转;在计算体表电位时忽略了纤维的各向异性的电导率。(Damingwei等，1989)真正把纤维的旋转加入心脏模型，但是这个模型也有两个不足:较低的时问分辨率:没考虑各向异性的电导率。〔Leon和Horacekl991)也报道了把各向异性加入心脏模型的研究，但这项研究在几何学上考虑得太简单了，以致不能给出真实的心电图。........ 第二章传统心电建模的理论和方法 2.1虚拟心脏模型的电生理与数学物理基础心脏有规律地收缩与扩张推动血液流经全身，将养料输送给每一个器官，维持着所有器官及整个躯体的生命活动。心脏之所以能不断地周期性博动，是因为心脏具有不依赖外部刺激而能自发地、有节律地发出激动的特性，即心肌细胞中存在着一种特殊的细胞一自律性细胞。在这种自律性细胞的周期性刺激下，心肌细胞周期性地产生着电兴奋活动。心肌细胞的电兴奋产生的电流在胸腔容积导体内形成电位场，该电位场在体表产生的电位分布就是体表电位图。在体表不同位置连续记录两点间的电位芳所得到的时间变化曲线，就是人们所熟悉的心电图(ECG:Eleetroeardiography)。........ 2.2典型心电仿真模型简介心肌细胞的动作电位波形、兴奋传导速度、不应期长短、间隔时间关系等参数决定了其电兴奋过程。心电场计算包括场源(心脏的电兴奋)与场电位(体表电位及相应的标准导联)的计算两部分。场源即心脏兴奋序列是心电场仿真的关键。兴奋序列的仿真基于以下假设:.由于心肌细胞是机能合胞体，考虑兴奋传播时可以将局部小的心肌块视为一个大的“单细胞”;.如果心肌块的大小能够反映心肌区域的兴奋细节，则该心肌块中的所有心肌细胞具有相同的兴奋状态。因此，将心肌区域划分成精细的心肌单元，制定规则使兴奋在各心肌单元之间传播得到心脏兴奋序列。另外，由于心肌细胞是“全或无”地进行兴奋过程，即有其内在的规定性，所以只要仿真得到各心肌单元的兴奋时刻，就可以得到其兴奋状态和动作电位。仿真算法的选取与性能不但决定了仿真系统的速度和精度，而且直接影响着仿真模型的准确性与实用性。常用的心脏兴奋序列仿真算法有:规则型算法、波面型算法及积分型算法。前两种算法的仿真速度较快，但仿真的精度较低;而积分型算法所包含的信息量全面，仿真精度较高，但仿真速度相对较慢，且需要更多的存储空间。LFX仿真模型采用了一种能较好地解决仿真速度与精度的新算法一规则波面混合型算法。该算法的基本思想是:先计算各心肌单元的初始兴奋时刻，这样各心肌单元的兴奋间期由初始兴奋时刻减去当前的仿真时刻得到。每一仿真步的兴奋波面是一组在一定时间段内兴奋的所有心肌单元。仿真的步长取为相邻心肌的最小兴奋传播时间。仿真研究的结果表明:该算法的速度、精度均明显优于单纯的规则型算法或波面型算法。........ 第三章跳动心脏的建模研究.................................233.1传统心电模型的建构方法..................233.2基于成像的跳动心脏建模.........................263.3基于力学心脏仿真研究的跳动心脏建模.............343.4本章小结...................45第四章跳动心脏模型的仿真特性..........................464.1正常心脏的心电图仿真.........................464.2各种动力学因素对于仿真输出的影响........................514.3病理心脏的心电图仿真..............................564.4本章小结.......................................70 第五章心脏模型的分布式软件架构设计 5.1心电建模中的软件方法论随着心脏正问题和逆问题的深入发展，对于构建大型、精确的心电仿真模型的要求越来越高。心电模型日趋复杂化、综合化、大型化，特别是现代的心脏模型朝着复合化的方向发展(比如本文的工作，就是一个典型的例子)，客观上使得心电模型的建构，成为了一项颇有规模的系统软件工程。心电建模中的软件方法论问题日益彰显。绝大多数的心电工作者，由于专业知识或者个人精力的限制，始终没有或者不愿意正视这个问题，造成了长期以来国际上心电软件的开发杂乱无章，重复劳动严重，互不兼容的现象。很多心电工作者只是满足于写出一些程序来解决眼下的问题，根本不考虑软件本身的复用性，以至于他们构造的心电仿真模型就象是小手工作坊的加工品，别人用不了，自己以后也未必能用;一些规模比较大的心电模型研究机构(比如MIT)，开始用面向对象(OOP)的方法去构造模型，甚至开放了模型的部分模块在互连网上供其他心电工作者下载利用，但是由于缺乏一个标准的机制和接口，很难说这些模块能被其它研究者充分利用，而且在不同操作系统、网络平台的情况下，这种可重用性几乎为零。........... 第六章总结与展望 建模仿真的目的就是通过从客观事物中抽象出来的数学原理再现该事物的物理规律，以找出事物的本质和探索新的发现。虚拟心脏模型是应用计算机强有力的计算能力、图形显示能力将活体心脏所具有的动态心电兴奋传播、心肌收缩、血液流动等过程赋予仿真模型，并使其从形态、运动和功能等方面都逼真地再现出来，便于人们对心脏生理、病理的研究。心脏是循环系统的核心，它集机、电、神经和生化控制于一体，综合建模难度很大，目前尚无较理想的统一模型。目前人们一般或者是研究心电正问题:由心脏的解剖结构出发，建立心电激励的传导模型，并用体表电位图考核;或者是研究心电逆问题:由体表电位出发，求解心脏的电位分布过程。两种方法的目标都是为了方便于临床诊断，但它们都未与心脏的机械动力过程和血液流动过程联系起来。........参考文献（略）