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中国医疗器械杂志 2000年第2期24卷 93-96页

作者：张力峰刘锋吕维雪浙江大学生物医学工程研究所浙江杭州310027

介绍虚拟心脏研究中的应用与进展情况

关键词：虚拟现实生物医学工程虚拟心脏

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虚拟心脏技术中的动态图像处理

虚拟心脏技术中的动态图像处理

作者：朱洁娜西北大学

学位级别：硕士

心脏病一直是危害健康、造成人类死亡的几种重要疾病之一。长期以来,心脏病的临床诊断、治疗及预防主要依赖于体表心电图,但由于人类至今对体表心电信息与心脏工作状态之间的对应关系不具备全面的理解。心电图在心脏病临床诊断中一直受... 详细信息

心脏病一直是危害健康、造成人类死亡的几种重要疾病之一。长期以来,心脏病的临床诊断、治疗及预防主要依赖于体表心电图,但由于人类至今对体表心电信息与心脏工作状态之间的对应关系不具备全面的理解。心电图在心脏病临床诊断中一直受到很大的限制。动物或人体试验是探索体表电位与心脏电活动之间相互关系的方法之一。但是这种方法代价高,危险性大,而且很难选择或获得各种病变状态;此外,这种方法致命的弱点是当心脏暴露于空气中时其电气特性发生了改变,从而必然使体表测得的电位随之发生改变,显而易见,这种方法具有很大的局限性。而虚拟心脏能够解决上述问题。本文研究把可视化技术应用于医学图像数据的处理和分析中,结合国内医学图像处理的需要与医疗设备的现状,针对CT设备所产生的图像数据的特点,利用可视化技术,在计算机上对医学图像数据进行可视化处理,最终在计算机屏幕上再现心脏的三维形态。本文首先介绍了虚拟心脏技术,然后引入了可视化技术在医学领域的重要应用——医学图像可视化技术。针对这一技术进行了以下工作:（1）医学图像的获取;（2）医学图像的预处理;（3）实现了基于纹理映射的低硬件成本体绘制算法;（4）建立了基于纹理映射体绘制算法的虚拟心脏模型。我们在微机上用JDK1.4及Java 3D 1.3.1实现了本文中的算法。本文的特点在于,根据实际需要,通过CT医学图像三维重建构造出虚拟心脏模型。医学图像可视化技术是当前医学图像处理的研究热点,促进了医学领域中科研、教学以及临床诊断,其影响深远,同时也给计算机技术在医学领域中的应用开辟了广阔的空间。

关键词：三维重构面绘制体绘制纹理映射虚拟心脏 Java 3D

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驾驭式虚拟心脏仿真系统的设计与实现

驾驭式虚拟心脏仿真系统的设计与实现

作者：谢松君哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

心脏疾病是威胁人类健康的一大杀手,借助计算机仿真可以对心脏的工作原理、致病机制和药物影响进行定量和定性的研究。但是,进行虚拟心脏仿真的效率问题一直困扰着相关研究人员。一方面,进行仿真实验时经常需要在实验进行过程中修改参数... 详细信息

心脏疾病是威胁人类健康的一大杀手,借助计算机仿真可以对心脏的工作原理、致病机制和药物影响进行定量和定性的研究。但是,进行虚拟心脏仿真的效率问题一直困扰着相关研究人员。一方面,进行仿真实验时经常需要在实验进行过程中修改参数,试验相关参数对实验的影响。每次修改参数,都需要重新开始仿真实验,修改参数之前的仿真计算存在浪费时间的问题,造成了实验效率的低下。本文提出借助驾驭式计算技术来解决这一问题。另一方面,在进行组织模型仿真时计算量非常巨大,使用基于CPU的算法只能借助服务器集群技术才能使得虚拟心脏仿真成为可能,但是服务器集群硬件成本过高,本文讨论了基于GPU的并行算法来解决仿真计算的效率问题,使得在个人计算机上进行虚拟心脏仿真成为可能。系统采用客户端/服务器模式,客户端采用QT图形界面技术和VTK数据绘制技术作为基础构件,使用Python语言编写。驾驭式控制逻辑使用有穷状态自动机描述。定义了一种基于TCP协议的通信方法在客户端与服务端之间进行通信。服务端使用CUDA(Compute Unified Device Architecture)技术实现了一种虚拟心脏仿真的GPU并行计算算法,以及在多GPU系统上扩展的算法。采用动态链接库技术并结合Lua语言实现了一种细胞模型无关的仿真计算框架,使得系统可以方便的扩展新的细胞模型。本文通过从纵向对比了CPU仿真算法与GPU并行仿真算法的速度,表明GPU并行算法在数据量较大时具有非常明显的优势。从横向对比了单GPU与多GPU算法的速度,结果表明在组织模型中有多种细胞时,多GPU算法可以获得更好的性能,当组织模型中只有一种细胞时,多GPU算法与单GPU算法性能相同。虚拟心脏仿真为人们研究心脏工作机制、心脏致病机理提供了一种有效的研究方法,本文将驾驭式计算方法与虚拟心脏仿真结合,同时使用GPU并行计算算法,能够有效地提高仿真实验的效率,为相关研究人员提供了一个有力的研究平台。

关键词：虚拟心脏驾驭式 GPU CUDA 仿真

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虚拟心脏仿真研究进展及其在临床中的应用

北京生物医学工程 2018年第5期37卷 545-550页

作者：田亚琴窦建洪夏灵黄伟毅广州军区广州总医院广州510010 浙江大学杭州310027

虚拟心脏就是利用计算机来模拟心脏的生理结构及功能,对心血管疾病的研究有重要意义。目前在心脏的各种仿真研究中,不同学科的研究小组所用的计算机模型相差较大,尚无统一的跨学科研究平台。本文从微观层次和宏观层次综述了虚拟心脏在... 详细信息

虚拟心脏就是利用计算机来模拟心脏的生理结构及功能,对心血管疾病的研究有重要意义。目前在心脏的各种仿真研究中,不同学科的研究小组所用的计算机模型相差较大,尚无统一的跨学科研究平台。本文从微观层次和宏观层次综述了虚拟心脏在功能性建模方面的研究进展,并对心脏疾病的模拟仿真以及虚拟心脏在临床上的应用进行了综述。最后,简要地分析了虚拟心脏建模在临床应用中的优势,并对虚拟心脏发展方向进行了展望。虚拟心脏可以定量分析所有对心脏疾病诊断和治疗极为有价值的生理信息,从而系统地揭示心脏内部运行的机制,它是现代医学科学发展的重要方向。

关键词：虚拟心脏建模仿真解剖数学模型心脏电力学复合模型临床应用

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虚拟心脏:细胞水平的解决

中国分子心脏病学杂志 2002年第4期2卷 37-42页

作者：甄一松谢攀庞博中国医学科学院中国协和医科大学阜外心血管病医院中德分子医学研究中心北京100037 清华大学电子工程系北京100084 北京大学视觉与听觉重点实验室北京100871

系统生物学是在新技术革新中迅速发展起来的新兴领域,它融合了生物实验、理论分析预测和计算机建模三方面的成果,力图对生物体这一复杂体系进行定量的描述。在本文中,我们简要介绍了系统生物学的若干研究方向。同时,作为初步的“数据驱... 详细信息

系统生物学是在新技术革新中迅速发展起来的新兴领域,它融合了生物实验、理论分析预测和计算机建模三方面的成果,力图对生物体这一复杂体系进行定量的描述。在本文中,我们简要介绍了系统生物学的若干研究方向。同时,作为初步的“数据驱动”的研究,我们也讨论了对虚拟心脏工程的前瞻性看法。

关键词：虚拟心脏系统生物学数据驱动研究

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虚拟生理心脏模型及房颤机制研究进展

生物化学与生物物理进展 2019年第10期46卷 976-992页

作者：罗存金游婷婷刘彤赫颖王宽全张恒贵西南医科大学心血管医学研究所医学电生理学教育部重点实验室泸州646000 东北大学计算机科学与工程学院医学影像智能计算教育部重点实验室沈阳110004 天津医科大学第二医院心脏科天津300070 School of Computer Science and Informatics De Montfort UniversityLeicester LE19BFUK 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨150001 School of Physics and Astronomy The University of ManchesterManchester M139PLUK

房颤是临床上最常见的持续性心律失常.揭示房颤的发病机制和病理生理过程是其诊断、预防、治疗、药物研发及临床设备设计的关键,而实验和临床只能呈现细胞或亚细胞的局部特性及房颤病症的宏观结果.随着生物信息技术、统计分析技术等的发... 详细信息

房颤是临床上最常见的持续性心律失常.揭示房颤的发病机制和病理生理过程是其诊断、预防、治疗、药物研发及临床设备设计的关键,而实验和临床只能呈现细胞或亚细胞的局部特性及房颤病症的宏观结果.随着生物信息技术、统计分析技术等的发展,运用多物理尺度的虚拟生理心脏模型,来实现宏观结果与微观机制相统一的研究方法备受关注.本文综述了离子通道、心肌细胞、心脏组织及器官等多尺度的虚拟生理心脏模型研究进展,探讨了近年来基于虚拟生理心脏模型的房颤机制研究以及房颤的治疗手段,提示了房颤研究的挑战和未来的发展方向.

关键词：心律失常房颤虚拟心脏计算机仿真计算生物学

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北京阜外医院启动虚拟心脏技术研究

现代养生（下半月版） 2016年第7期 2-2页

生命科学领域虚拟技术应用研讨会暨阜外医院Living Heart协作项目启动仪式于2016年6月16日在北京举行。中国医学科学院阜外医院成为我国及亚太地区第一个启动Living Heart心脏模型的研究单位。阜外医院院长胡盛寿院士表示，Living Hear... 详细信息

生命科学领域虚拟技术应用研讨会暨阜外医院Living Heart协作项目启动仪式于2016年6月16日在北京举行。中国医学科学院阜外医院成为我国及亚太地区第一个启动Living Heart心脏模型的研究单位。阜外医院院长胡盛寿院士表示，Living Heart预期应用前景广阔，可用于学术和教学工作，能直观、立体、形象地展示疾病的病理生理及演变过程，缓解临床教学资源及解剖资源不足的问题，临床可进行手术治疗效果评估。

关键词：北京医院院长项目启动虚拟心脏教学资源应用前景演变过程亚太地区心脏模型效果评估手术治疗临床科学领域教学工作技术应用病理生理科学院中国直观院士

来源：评论

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基于心脏电生理模型的心律失常机制研究进展

生物化学与生物物理进展 2016年第2期43卷 128-140页

作者：白杰云王宽全张恒贵哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨150001 Biological Physics Group School of Physics and AstronomyUniversity of Manchester

揭示发病机制是心律失常诊断、治疗、药物研发和设备设计的关键.整合当前在心脏分子生物学、生物化学、生理学及解剖学方面的最新成果,构建从离子通道、心肌细胞、心肌纤维、心肌组织、心脏器官到躯体各个层次的多尺度多模态心脏电生理... 详细信息

揭示发病机制是心律失常诊断、治疗、药物研发和设备设计的关键.整合当前在心脏分子生物学、生物化学、生理学及解剖学方面的最新成果,构建从离子通道、心肌细胞、心肌纤维、心肌组织、心脏器官到躯体各个层次的多尺度多模态心脏电生理模型,用于系统研究微观局部变化发生、发展、转化为宏观心律失常表现的过程,将彻底改变传统从基因突变、蛋白质表达、细胞电生理、临床表现单独研究心律失常的方式,实现微观与宏观研究的统一,使心脏电生理模型成为系统研究心律失常发病机制的有力手段.本文综述了心脏电生理模型的构建方法和研究进展,讨论了多尺度心脏电生理模型在揭示心律失常机制研究中的作用和地位,给出了基于心脏电生理模型心律失常研究的挑战和重要发展方向.

关键词：系统生物学生理组学计算心脏学虚拟心脏心律失常心脏电生理模型建模与仿真

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心脏中异常波源类型和位置的确定

中国科学基金 2022年第2期36卷 262-269页

作者：李齐浩潘军廷张宏浙江大学物理学系杭州310027 浙江大学海洋学院舟山316021

心脏中异常传播的电信号波会引起危及生命的心律失常。这些异常波主要有三种类型:异位靶波(局灶性活动);绕障碍物转动的螺旋波或沿着特殊路径重复循环的波(解剖性折返);自由旋转的螺旋波(功能性折返、转子或驱动子)。心房颤动(房颤)是... 详细信息

心脏中异常传播的电信号波会引起危及生命的心律失常。这些异常波主要有三种类型:异位靶波(局灶性活动);绕障碍物转动的螺旋波或沿着特殊路径重复循环的波(解剖性折返);自由旋转的螺旋波(功能性折返、转子或驱动子)。心房颤动(房颤)是人类最常见的一种心律失常,可导致较高的死亡率和明显的致残率。目前临床治疗房颤最有效的方法之一是导管消融法。由于不同的异常波需要采取不同的消融方式,所以在心房找到异常波源的位置及判断它的类型对于消融手术至关重要。本文系统地介绍了几种确定异常波源的方法:线积分方法、卷积方法、拓扑荷密度方法、雅可比行列式方法、平均流速度方法。由于记录心房内壁电信号的仪器空间分辨率比较低,这使得确定异常波源的类型和位置变得困难。目前,房颤消融手术的成功率还没有达到人们的期望值。如何提高它的成功率涉及到两个关键科学问题:临床上如何确定心房异常波源;确定异常波源后如何消融。针对以上两个关键问题,本文提出了三个研究建议:在虚拟心房开展确定异常波源的研究;在虚拟心房开展消融试验;临床上开展心房内壁全局电信号的测量。以上建议可为未来房颤的数字化精准诊疗提供参考。

关键词：心律失常房颤异位靶波(局灶性活动) 螺旋波(折返、转子、驱动子) 导管消融虚拟心脏

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面向短QT综合征的药物作用建模与仿真研究

生物化学与生物物理进展 2017年第6期44卷 523-533页

作者：罗存金王宽全张恒贵哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨150001 School of Physicsand Astronomy The University of Manchester 深圳市太空科技南方研究院深圳518117

短QT综合征(short QT syndrome,SQTS)是以心电图QT间期、心室和心房不应期明显缩短为主要显性特征,并伴有晕厥、高发心源性猝死(sudden cardiac death,SCD)和恶性心律失常风险的一类遗传性心肌离子通道病.据目前资料信息,关于SQTS致病... 详细信息

短QT综合征(short QT syndrome,SQTS)是以心电图QT间期、心室和心房不应期明显缩短为主要显性特征,并伴有晕厥、高发心源性猝死(sudden cardiac death,SCD)和恶性心律失常风险的一类遗传性心肌离子通道病.据目前资料信息,关于SQTS致病机理的报道比较多,而对SQTS药物治疗的报道罕见.为了揭示在SQTS下的药物作用,本文通过计算机仿真构建人体心室细胞和组织的药物作用模型,利用该模型,从亚细胞、细胞、组织三个尺度,模拟SQT1、SQT2和SQT3下的普罗帕酮药物作用过程,并仿真心电图的变化情况.仿真结果表明:在SQT1下普罗帕酮延长了动作电位时程(action potential duration,APD)和心电图QT间期,并降低T波幅值;相反,在SQT2和SQT3下普罗帕酮缩短了APD和QT间期.计算使用药物前后细胞间膜电压和APD空间离散度的变化,定量分析了普罗帕酮降低T波振幅的原因.总之,对SQT1,普罗帕酮有效;对SQT2和SQT3,普罗帕酮没有改变其致心律失常的危险.仿真结果为普罗帕酮用于临床治疗SQTS提供理论参考.

关键词：虚拟心脏计算心脏学建模与仿真短QT综合征基因突变普罗帕酮