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第1章 绪论 1

1.1虚拟心脏研究的意义 1

1.2虚拟心脏建模与仿真研究现状 2

1.2.1解剖与力学模型 2

1.2.2电生理模型 2

1.2.3新陈代谢模型 3

1.3虚拟心脏建模相关计算科学问题的研究现状 5

1.3.1虚拟心脏建模与数值计算 5

1.3.2虚拟心脏建模与并行计算 6

1.3.3虚拟心脏建模与数据可视化 6

1.4虚拟心脏研究的未来发展趋势 6

1.4.1临床诊断的应用 6

1.4.2药物研制的应用 7

1.4.3虚拟心脏外科手术的应用 7

本章参考文献 7

第2章 心脏生理学基础与建模原理 13

2.1引言 13

2.2心肌细胞与组织 13

2.2.1解剖与力学模型 13

2.2.2心肌组织 15

2.3心脏解剖结构 15

2.3.1心脏位置与形态 15

2.3.2心脏解剖结构 15

2.4心脏电生理基础 16

2.4.1离子通道与细胞动作电位的关系 16

2.4.2心脏电传导系统与心电图的关系 17

2.5心脏从细胞到器官建模的基础理论 18

2.5.1离子通道模型 18

2.5.2心肌细胞模型 19

2.5.3多细胞组织模型 20

2.5.4心电图仿真 20

本章参考文献 21

第3章 心室电传导系统建模研究 22

3.1引言 22

3.2希氏支束与浦肯野氏网络三维构建 22

3.2.1希氏支束与浦肯野氏网络预处理 23

3.2.2希氏支束与浦肯野氏网络三维构建方法 24

3.2.3希氏支束与浦肯野氏网络模型结构比较 26

3.3非均匀性心室组织三维建模 27

3.3.1心肌纤维走向从笛卡儿坐标系到球面坐标系的变换 27

3.3.2心肌纤维走向与心室组织非均匀性的关系 28

3.3.3基于心肌纤维走向的心室组织划分方法 30

3.4构建三维心室电传导系统计算模型 32

3.4.1心室电兴奋传导系统计算模型的建立 33

3.4.2心室电传导系统仿真模型的计算方法 37

3.4.3心室电传导系统计算模型的有效性 39

本章参考文献 44

第4章 心室浦肯野系统的三维重构方法研究 47

4.1引言 47

4.1.1浦肯野系统数值重建研究综述 47

4.1.2数据来源 48

4.1.3本章研究内容及结构 49

4.2基于方向域的浦肯野系统提取 50

4.2.1局部尺度和方向检测模型 50

4.2.2 4D测地线 52

4.2.3曲线网络提取算法 55

4.2.4实验结果 55

4.3基于LLE算法的浦肯野系统的三维重构 55

4.3.1 LLE局部线性嵌入算法 56

4.3.2左心室肌曲面到平面的映射方法 58

4.3.3平面到曲面的重构 62

本章参考文献 64

第5章 心脏钠离子通道病建模与仿真研究 67

5.1引言 67

5.2溶血磷脂胆碱与钠离子通道病 68

5.2.1计算模型的建立 68

5.2.2模型仿真分析方法 70

5.2.3计算模型的仿真结果 71

5.2.4仿真结果分析 76

5.2.5仿真研究结论 77

5.3 E1784K基因变异与钠离子通道病 77

5.3.1计算模型建立 78

5.3.2模型的分析方法 79

5.3.3计算模型仿真结果 80

5.3.4仿真结果分析 82

5.3.5仿真研究结论 84

本章参考文献 84

第6章 心肌缺血下折返性室性心律失常研究 86

6.1引言 86

6.2局部缺血下折返波研究 86

6.2.1缺血模型的建立 86

6.2.2数据预处理以及缺血区域设置 88

6.2.3正常情况以及局部缺血情况下折返波仿真 90

6.3心肌缺血ECG仿真及分析 92

6.3.1心电图的建立 92

6.3.2缺血区域的设置 93

6.3.3心肌缺血ECG仿真 93

6.3.4仿真研究结论 96

6.4全心缺血下折返波研究 96

6.4.1单细胞模型 96

6.4.2 1D虚拟心室壁模型 100

6.4.3 2D理想几何组织模型 103

6.4.4仿真研究结论 104

本章参考文献 104

第7章 虚拟心脏的可视化方法 107

7.1引言 107

7.1.1虚拟心脏可视化的目的、意义 107

7.1.2虚拟心脏数据来源 108

7.1.3可视化方法 108

7.2基于虚拟心脏解剖数据的光线投射方法 109

7.3虚拟心脏交互式传递函数设计 114

7.3.1基于二维灰度-梯度直方图的传递函数设计 114

7.3.2基于二维LH直方图的传递函数设计 119

7.4虚拟心脏多模态绘制 122

7.4.1欧氏距离变换 123

7.4.2基于三维欧氏距离变换的加权合成 128

7.4.3与视线相关的光线投射距离传递函数 129

7.4.4心脏多模态模型绘制结果 129

7.5虚拟心脏可视化系统 134

7.5.1系统需求分析 134

7.5.2系统功能模块划分 135

7.5.3系统实现及测试 136

本章参考文献 143

第8章 基于GPU的虚拟心脏可视化 145

8.1基于GPU的虚拟心脏可视化方法 145

8.1.1 GPU技术概述 145

8.1.2纹理切片绘制方法 145

8.1.3基于Context-Preserving心脏解剖结构绘制方法 148

8.1.4改进的Context-Preserving心脏解剖结构绘制方法 150

8.2基于GPU的电生理仿真及仿真数据在线可视化 151

8.2.1心室组织模型 152

8.2.2数值求解方法 152

8.2.3数据结构设计 153

8.2.4电生理仿真程序流程 153

8.2.5仿真计算核函数分解 155

8.2.6核函数优化 155

8.3虚拟心脏可视化系统 157

8.3.1开发背景 157

8.3.2系统需求分析 157

8.3.3系统概要设计 158

8.3.4系统详细设计 158

8.3.5系统实现及测试 163

8.3.6系统贡献与应用前景 167

本章参考文献 168

名词索引 170