(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210666063.5 (22)申请日 2022.06.13 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 （深圳） 地址 518055 广东省深圳市西丽深圳大 学 城 (72)发明人 王玮　卜贤达　周森海　骆功宁　 (74)专利代理 机构 哈尔滨华夏松花江知识产权 代理有限公司 23213 专利代理师 杨晓辉 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种基于CUDA并行的三维心脏电生理仿真 系统及方法 (57)摘要 一种基于CUDA并行的三维心脏电生理仿真 系统及方法， 涉及一种心脏电生理仿真技术， 为 了解决现有的三维心脏电生理仿真计算量大以 及仿真时间长的问题。 本发明的心脏组织初始化 仿真模块构造出心脏组织模型， 并完成每个细胞 对象中离子电流的初始值的计算； 电刺激模块确 定所有的细胞是否应该接受电刺激， 并确定细胞 接受电刺激的时间长度以及电刺激的电流强度； 单细胞仿真模块确定细胞在一个仿真步长内的 动态电位值以及各种离子的当前离子电流值； 组 织仿真模块确定电信号在心脏组织模型中的多 细胞间传导的动态电位值； 结果输出模块输出心 脏组织模型中任一细胞在任一仿真时刻对应的 离子电流值和动作电位值。 有益效果为对于较大 细胞规模的仿真用时明显减 小。 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 CN 114912294 A 2022.08.16 CN 114912294 A 1.一种基于CUDA并行的三维心脏电生理仿真系统， 其特征在于， 该仿真系统包括心脏 组织初始化仿真模块(1)、 电刺激模块(2)、 单细胞仿真模块(3)、 组织仿真模块(4)和结果输 出模块(5)； 心脏组织初始化仿真模块(1)， 用于根据心脏组织的几何形状和空间上每个位置上是 否有细胞以及每个位置上 的细胞种类， 构造出心脏组织模型， 并完成心脏组织模型中每个 细胞对象中离 子电流的初始值的计算； 电刺激模块(2)， 用于确定经过心脏组织初始化仿真模块(1)构造出的心脏组织模型中 所有的细胞是否应该接受电刺激， 还用于确定细胞接受电刺激的时间长度以及电刺激的电 流强度； 单细胞仿真模块(3)， 用于确定经过电刺激模块(2)电刺激后的细胞在一个仿真步长内 的动态电位 值以及各种离 子的当前离 子电流值； 组织仿真模块(4)， 用于根据细胞在一个仿真步长内的动态电位值确定电信号在心脏 组织模型中的多细胞间传导的动态电位 值； 结果输出模块(5)， 用于输出心脏组织模型中任一细胞在任一仿真时刻对应的离子电 流值和动作电位 值。 2.根据权利要求所述的一种基于CUDA并行的三维心脏电生理仿真系统， 其特征在于， 所述心脏组织初始化仿真模块(1)与结果输出模块(5)均设置在CPU内部； 所述电刺激模块(2)、 单细胞仿真模块(3)以及组织仿真模块(4)均设置在GPU内部 。 3.一种基于CUDA并行的三维心脏电生理仿真方法， 其特征在于， 该仿真方法包括以下 步骤： 步骤一、 在CPU中利用心脏组织初始化仿真模块(1)对心脏进行初始化建模， 生成心脏 组织模型， 并将心脏组织模 型中每个细胞对象中离子电流的初始 值存储到CPU内存中， 最后 将心脏组织模型由CPU发送到GPU中； 步骤二、 CPU内存将心脏组织模型中每个细胞对象中离子电流的初始值发送至GPU中的 电刺激模块(2)， 并由电刺激模块(2)完成对心脏组织模型中所有细胞的电刺激过程； 步骤三、 CPU内存将心脏组织模型中每个细胞对象中离子电流的初始值发送至GPU中的 单细胞仿 真模块(3)， 并由单细胞仿 真模块(3)完成对电刺激后心脏组织模型中任一细胞的 单细胞仿真计算， 获得任一细胞在一个仿 真步长内的动态电位值以及各种离子的当前离子 电流值； 步骤四、 CPU内存将心脏组织模型中每个细胞对象中离子电流的初始值发送至GPU中的 组织仿真模块(4)， 并由组织仿真模块(4)完成对心脏组织模型的组织仿真计算， 获得多细 胞间传导的动态电位 值， 同时将心脏组织模型的组织仿真计算结果保存在GPU内存中； 步骤五、 将保存在GPU内存中心脏组织模型的组织仿真计算得到的细胞在传导时的动 态电位值发送至CPU的结果输出模块(5)中， 结果输出模块(5)将该心脏组织模型的组织仿 真计算得到的细胞在传导时的动态电位值保存在CPU内存中， 得到当前步长的所有计算结 果； 步骤六、 利用心脏组织模型的组织仿真计算结果更新心脏组织模型中每个细胞对象中 离子电流值， 进入下一个迭代步长计算； 步骤七、 依次重复步骤二至步骤六直至完成对所有心肌细胞的仿真计算， 并由结果输权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114912294 A 2出模块(5)输出心脏组织模型中任一细胞在任一仿真时刻对应的离子电流值和动作电位 值。 4.根据权利要3所述的一种基于CUDA并行的三维心脏电生理仿真方法， 其特征在于， 在 步骤三中， 将单细胞仿真模块(3)完成对电刺激后心脏组织模型中任一细胞的单细胞仿真 计算的过程划分为 一个线程， 每 个线程的线程 块大小为32。 5.根据权利要3所述的一种基于CUDA并行的三维心脏电生理仿真方法， 其特征在于， 在 步骤四中， 组织仿 真模块(4)对心脏组织模型中所有的心肌细胞做 三次遍历， 将 每一次遍历 中对其中一个细胞进 行计算的过程划分为一个线程， 每个线程的线程块大小由主遍历方向 心脏组织模型中细胞的数量决定 。 6.根据权利要3所述的一种基于CUDA并行的三维心脏电生理仿真方法， 其特征在于， 在 步骤五中结果输出模块(5)将心脏组织模 型的组织仿 真计算结果保存在CPU内存时， 将 每个 心肌细胞在该步数对应时刻的动态电位写入一个.bin文件进 行保存， 而将离子电流的种类 以及大小 写入一个.dat文件进行保存。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114912294 A 3