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三维不规则窦房结电生理模型的建立及其图形实现
【作者】 张虹 刘袁 刘炀 金印彬
【关键词】 图形处理单元 并行计算 窦房结 有限体积法
【摘要】针对窦房结三维电生理建模复杂、仿真运算量大等问题,提出了一种有效的解决方法.首先利用建模软件建立右心房三维不规则立体模型,再利用网格划分软件剖分为四面体网格,最后根据网格的位置赋予窦房结和心房细胞属性建立电生理模型.数值解算时采用算子分裂法和有限体积法,分别对反应-扩散方程和单纯描述电扩布的微分方程进行了处理,同时利用高性能图形处理单元(GPU)在CUDA(compute unified device architecture)编程环境下实现程序的并行加速.另外,从减少CPU和GPU间的数据交换频率、参量存储方式等多方面对程序加以优化.计算结果表明,所建模型无论是单细胞动作电位还是膜电位的传导均符合正常的电生理特征.通过与串行程序及基于4核8线程CPU编写的共享内存式OpenMP并行程序进行比较,基于GPU的CUDA程序可将运行耗时减少90％以上,CPU和GPU间的数据交换仅占总耗时的3％,且组织模型越大,网格划分越细致,GPU的加速效果愈显著.
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