心脏电生理的快速仿真和交互式可视化方法研究

摘要

虚拟心脏是运用数学建模和计算机仿真的方法在计算机中再现心脏结构和功能的研究课题。其目的是揭示心脏的运行机制并且研究临床医学中存在的难以解释的生理现象以及心脏对药物作用的反应。心脏的电生理仿真是虚拟心脏研究的主要研究内容,通过电生理现象能够分析心脏生理、病理和药理方面的问题。可视化方法是通过虚拟心脏在计算机中再现心脏的基础,是验证虚拟心脏仿真和建模结果的重要手段。因此对于心脏的电生理仿真和可视化的研究对于整个虚拟心脏研究领域都有极其重要的作用。
　　本文从心脏电生理仿真和可视化研究中存在的问题入手,研究电生理仿真方法和心脏解剖结构数据以及电生理数据的可视化方法。尝试通过图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)建立心脏解剖数据可视化和功能数据可视化之间的联系,以及电生理仿真和可视化之间的联系。本文主要工作如下:
　　基于GPU的快速心脏电生理仿真心脏电生理仿真存在的主要问题是难以找到一种有效仿真方法实现。本文提出了基于GPU的快速电生理仿真方法,分析了心脏电生理仿真过程的并行性,讨论了运用GPU实现电生理仿真的可行性,并且实现了基于GPU的快速电生理仿真方法。针对电生理仿真过程的特点探讨了仿真方法的优化策略。
　　基于GPU的心脏解剖结构可视化心脏解剖结构复杂且内部组织相似,使心脏的各个器官难以有效区分。针对这一问题,本文提出了基于纹理切片的心脏组织分割可视化方法,有效展示了心脏的特定组织。针对心脏的堆叠结构中组织间相互遮挡从而导致各个组织的轮廓信息难以有效展示的问题,本文提出了改进的Context-Preserving模型。实验结果表明,将该模型集成在基于GPU的光线投射方法中相比主流的心脏解剖结构可视化方法具有更好的绘制效果。
　　交互式心脏精细结构可视化针对心脏解剖结构中精细组织难以有效可视化的问题,本文提出了基于统计信息的交互式可视化方法。在保证整体解剖结构有效展示的前提下,该方法能够让用户交互地获得心脏精细结构的可视化。根据人类对于不同色调的感知,结合光照传递函数,本文提出了基于感知的光照增强可视化方法,该方法能够有效增强被选中的心脏组织,同时抑制其它组织。
　　心脏电生理仿真数据可视化为了有效展示电生理仿真数据的时变属性,本文提出了电生理仿真数据的在线可视化方法,在保证绘制质量的条件下有效展示了心脏组织电压分布随时间的变化。针对心脏内部组织电生理仿真数据难以有效展示的问题,本文提出了多体数据可视化的方法,通过为发生电生理现象的器官提供解剖结构上下文,准确地展示了电生理仿真数据的空间信息。为了解决三维电生理仿真数据在线可视化效率低的问题,本文最后提出了三维电生理仿真数据序列可视化的方法,有效提高了三维电生理数据的绘制效率。
　　实验表明,本文提出的基于GPU的快速电生理仿真方法有效提高了电生理仿真的运算效率。心脏解剖结构以及电生理仿真数据可视化的方法,不但能够实现实时绘制,而且能够有效突出心脏组织的轮廓信息。对于选定的组织以及发生电生理现象的组织都能够有效地展示。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 现有心脏电生理仿真以及可视化中存在的问题

1.4 课题来源

1.5 本论文主要研究内容

第2章 基于GPU的快速电生理仿真方法研究

2.1 引言

2.2 GPU通用计算

2.3 基于GPU的快速电生理仿真方法

2.4 仿真方法优化

2.5 实验结果分析

2.6 本章小结

第3章 基于GPU的心脏解剖结构可视化方法研究

3.1 引言

3.2 数据可视化基础

3.3 传递函数设计

3.4 基于GPU实时心脏组织分割可视化方法

3.5 改进的Context-Preserving心脏解剖结构绘制方法

3.6 本章小结

第4章 心脏精细结构交互式可视化方法研究

4.1 引言

4.2 基于统计信息的交互式传递函数设计

4.3 基于感知的光照增强可视化方法

4.4 本章小结

第5章 多体数据电生理仿真结果可视化

5.1 引言

5.2 二维电生理仿真结果在线可视化

5.3 电生理仿真数据的多体数据可视化方法

5.4 三维电生理仿真数据的多体数据在线可视化方法

5.5 实验结果分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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