大规模的多尺度和多模态虚拟心脏计算与可视化方法研究

计算心脏学综合运用计算生理学、数学建模技术和虚拟现实技术对心脏进行建模并模拟心脏功能，研究健康和病变情况下的心脏动力学特性的改变，是现代心脏病学科的一个重要分支。计算复杂度高的心脏模型以及巨大的仿真数据量，已经成为计算心脏学进一步发展和应用的主要瓶颈。因此本课题在前一项基金项目工作基础之上，拟开展大规模的多尺度和多模态虚拟心脏计算与可视化方法的研究。利用并行计算、虚拟心脏建模与仿真和科学计算可视化的相关理论与技术，重点研究大规模的虚拟心脏仿真及在线可视化方法，多尺度（亚细胞级、细胞级、组织级、器官级）仿真数据的可视化方法，心脏解剖数据和多模态（电压、电流、离子浓度等生理参数）在线仿真数据的融合方法，为心脏病学研究者可视化观察并深入理解心脏电生理活动现象以及心脏疾病的预防、治疗与药物设计提供一个更有效的研究手段。

计算心脏学综合运用计算生理学、数学建模技术和虚拟现实技术对心脏进行建模并模拟心脏功能，研究健康和病变情况下的心脏动力学特性的改变，是现代心脏病学科的一个重要分支。计算复杂度高的心脏模型以及巨大的仿真数据量，已经成为当前计算心脏学进一步发展和应用的主要瓶颈。本项目从心脏解剖结构和功能性数据融合、心脏电生理过程仿真与海量仿真数据的在线可视化和多尺度下多模态数据的可视化三个方面研究虚拟心脏的计算与可视化。我们基于心脏解剖结构，融入心肌生理细胞模型，采用提高计算效率的重建、绘制和渲染算法，有效地将心脏功能性数据和解剖结构进行融合，设计满足仿真要求的电生理仿真系统，并构建基于GPU的电生理仿真架构，实现了心脏电生理过程仿真与海量仿真数据的在线可视化；之后，我们进一步利用各种绘制技术实现多尺度多模态心脏电生理数据的可视化，并在此基础上应用于遗传性短QT综合征、遗传性长QT综合征、心肌缺血和药物筛选的病理机制研究中。本项目的大规模、多尺度、多模态虚拟心脏的计算与可视化，为心脏病学研究者观察并深入理解心脏电生理活动现象以及心脏疾病的预防、治疗与药物设计提供一个更有效的研究手段，高效的计算和可视化方法显著促进了计算心脏学的临床应用，并已达到本领域国际先进水平，具有重大的医学应用价值。