CN104537187A - 一种驾驭式虚拟心脏仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种驾驭式虚拟心脏仿真方法，本发明涉及的是基于驾驭式计算进行心脏电生理仿真的方法，本发明是要解决传统复杂心脏建模计算复杂、不合理或失效，而且修正后整个过程必须重做，从而造成了极大的人力物力资源浪费的问题。一、(1)虚拟心脏模型电生理仿真计算过程包括解析组织文件、边界初始化与仿真迭代计算三个部分；(2)虚拟心脏电生理仿真架构；二、驾驭式控制仿真客户端状态机的设计；三、客户端与服务端程序通信方式和消息格式的设计：采用C/S模式，基于TCP协议客户端程序与服务端程序进行通信。本发明应用于计算机仿真领域。

Description

一种驾驭式虚拟心脏仿真方法

技术领域

本发明涉及的是基于驾驭式计算进行心脏电生理仿真的方法，特别是采用模型无关的仿真程序架构，基于TCP协议进行控制信息通信的驾驭式电生理仿真方法，属于计算机仿真领域。

背景技术

心脏是人体的重要器官，心脏病更是严重威胁人类健康的四大疾病之一。根据世界卫生组织最新统计，缺血性心脏病、中风、下呼吸道感染和慢性阻塞性肺病在过去10年中仍然属于位居前列的主要杀手，其中缺血性心脏病一直处在前列。心脏病学已成为现代医学中最重要的研究领域之一。

然而，由于人体心脏的复杂性与特殊性，传统的基于物理和化学方法的心脏病学临床实验(如开胸手术等)成本较高、风险较大。这也导致了心脏病学相关临床诊断、治疗以及药物设计等的研究周期和成本显著攀升。近年来，新近发展起来的心脏建模与仿真技术为上述问题提供了新的研究思路和切实可行的解决方案。

在进行传统复杂心脏建模计算时往往会出现这样一种尴尬的情形：在经历了复杂心脏对象和过程的建模，对数学模型的偏微分方程进行离散化、定义初始条件和边界条件，经过耗时的迭代计算等一系列漫长过程后，却发现建模结果不合理或失效，而且修正后整个过程必须重做，从而造成了极大的人力物力资源浪费。因此，该领域迫切需要一种动态的、可进行实时可视化交互的建模仿真技术。

近些年随着硬件设备处理能力不断增强，驾驭式计算逐渐发展起来。它可以实现在建模计算程序运行期间，根据研究的需求来选择、收集当前的计算数据，并通过可视化处理以图形显示的方式同步跟踪整个计算的中间过程。同时，把研究者的决策或要求反馈给计算程序，在不中断计算过程的前提下，对用户施加的控制尽可能实时地做出反应，通过改变参数设置来干预、操纵建模和仿真计算过程，从而可以有效地节省建模过程的时空开销，而且使得建模结果更为可靠。

发明内容

本发明是要解决传统复杂心脏建模计算复杂、不合理或失效，而且修正后整个过程必须重做，从而造成了极大的人力物力资源浪费的问题，而提供了一种驾驭式虚拟心脏仿真方法。

一种驾驭式虚拟心脏仿真方法按以下步骤实现：

一、服务端虚拟心脏电生理仿真架构：

(1)虚拟心脏模型电生理仿真计算过程包括解析组织文件、边界初始化与仿真迭代计算三个部分：

(2)虚拟心脏电生理仿真架构

基于状态变量数据结构和动态衔接库技术，将细胞模型以插件的形式嵌入到心脏模型的仿真迭代计算当中；

二、驾驭式控制仿真客户端状态机的设计：

驾驭式控制仿真客户端实现的功能主要是接收用户的输入命令，将输入命令传递给服务端，然后服务端计算结果并显示；

三、客户端与服务端程序通信方式和消息格式的设计：

采用C/S模式，基于TCP协议客户端程序与服务端程序进行通信。

发明效果：

实现采用模型无关的仿真程序架构，基于TCP协议进行控制信息通信的驾驭式电生理仿真方法，为心脏生理病理研究，提供一个直观、高效、可靠的研究工具。

虚拟心脏电生理仿真指对心脏中细胞内电流的运动，细胞之间的电信号传导过程建立数学模型，并用计算机求解该模型，实现对心脏电活动的仿真，为探索心脏病的发病机理，评估药物对心脏的影响打下基础。进行虚拟心脏电生理仿真需要在两方面进行建模：1.心脏模型，即描述电信号在各个细胞之间的扩散；2.细胞模型，即描述细胞内部各种离子通道电流的运动。

心脏模型和细胞模型主要涉及的是常微分方程，我们采用了前向欧拉方法对方程进行求解。在给定细胞的初始跨膜电压，细胞模型状态变量的初始值以及仿真的时间步长之后，通过迭代计算，求解模型中的常微分方程，就可以得到每一时刻细胞的状态，从而达到对心脏电生理活动进行仿真的目的。

由于心脏模型是固定的，而细胞模型多种多样，为了最大程度的将心脏模型的计算与细胞模型的计算分离开，方便地添加新的细胞模型，我们提出了一种模型无关的虚拟心脏仿真架构。该架构将细胞模型以插件的形式嵌入到心脏模型中，提供了一种灵活地虚拟心脏电生理仿真框架。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是具体实施方式二中心脏模型仿真总体流程图；

图3是具体实施方式五中客户端与服务端的整个通信过程；

图4是具体实施方式四中状态机的整个通信过程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种驾驭式虚拟心脏仿真方法按以下步骤实现：

一、服务端与细胞模型无关的虚拟心脏电生理仿真程序架构：

(1)虚拟心脏模型电生理仿真计算过程包括解析组织文件、边界初始化与仿真迭代计算三个部分：

(2)与细胞模型无关的虚拟心脏电生理仿真架构实现方法

基于与细胞模型无关的状态变量数据结构和动态衔接库技术，将细胞模型以插件的形式嵌入到心脏模型的仿真迭代计算当中；

二、驾驭式控制仿真客户端状态机的设计：

驾驭式控制仿真客户端实现的功能主要是接收用户的输入命令，将输入命令传递给服务端，然后服务端计算结果并显示；

三、客户端程序与服务端程序通信方式和消息格式的设计

采用C/S(客户端/服务端)模式，整个系统架构如图2所示。基于TCP协议客户端程序与服务端程序进行通信。由于TCP协议是流式通信，为了分辨出每次通信的数据包，设计了一个跨平台、跨语言的通信协议。

其中，心脏细胞模型描述了细胞中各种跨膜电流以及离子运动的过程。目前，人们已经提出了多种不同的心脏细胞模型，涵盖了人，小鼠，狗，兔子等不同的物种。每一种物种的不同类型心脏细胞都对应不同的细胞模型。以TNNP模型为例，该模型是一种人类心室细胞模型，细胞总的跨膜电流由12种电流组成，公式如下所示：

I_ion＝I_Na+I_k1+I_to+I_Kr+I_Ks+I_CaL+I_NaCa+I_NaK+I_pCa+I_pK+I_bCa+I_bNa

所述步骤一中状态变量数据结构按照如下所述实现：

在仿真过程中，每一个细胞都有一组状态变量记录了该细胞所对应细胞模型的求解所需要的信息。状态变量都是基本数值类型，如C++中的int,double。以TNNP模型为例，如果一个细胞使用TNNP模型进行仿真，那么它会有表1所示的21个状态变量。

表1TNNP模型状态参数表

不同细胞模型的状态变量数量、名称、数值类型都不同，为了实现模型无关的虚拟心脏仿真架构，我们需要一种统一的存储细胞模型状态变量的数据结构。

下面介绍一种我们实现的满足以上特征的数据结构。该数据结构借助Lua语言的table数据类型和用C++实现的存储数值类型的数组类型来实现。Lua中的table数据类型是一种映射表，它以键值对的方式存储，键和值可以是任意的Lua数据类型，同时可以方便的遍历访问其中存储的键值对。为了实际存储所有的状态变量，我们用C++实现了IntVector，DoubleVector数组类型分别用来存储int和double数值类型的状态变量，数组的长度为使用该模型的细胞的数量。在给定细胞模型所有状态变量的名称、类型、初始值以及使用该模型的细胞数量n之后，对每一个状态变量构造一个xVector，其中x为状态变量的类型名，该xVector的容量为n，值为状态变量的初始值。如图1所示，对于TNNP模型，构造一个table，将每一个(状态变量名称，状态变量对应xVector)插入到table中，形成最终我们需要的存储状态变量的数据结构。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中(1)虚拟心脏模型电生理仿真计算过程包括解析组织文件、边界初始化与仿真迭代计算三个部分具体为：

(1.1)首先需要组织文件，然后解析组织文件

组织文件描述心脏组织中心脏所在空间每个采样点处细胞的类型，组织文件是通过对心脏切片图片数据进行手工或者自动的处理、标定得到；

解析组织文件是从组织文件中得到每种细胞的数量，各个细胞的相对位置信息，为边界初始化与仿真迭代计算两个部分提供输入数据；

(1.2)边界初始化

心脏模型中每个细胞的初始值只有细胞的跨膜电压，不同细胞模型细胞的跨膜电压不同，边界初始化以细胞模型中每种细胞的数量为输入数据，分配并初始化心脏模型和细胞模型的状态变量；

其中，所述心脏模型的电压的传导过程用一个非线性反应-扩散微分方程描述：

$\frac{\∂V}{\∂t}=\frac{-(I_{\mathrm{tot}}-I_{\mathrm{stim}})}{C_m}+\mathrm{D\ΔV}$

其中，V是跨膜电位，t是时间，I_tot表示细胞总的跨膜电流，I_stim表示对细胞所施加的刺激电流，C_m是电容，D是扩散系数，Δ为拉普拉斯算子；

(1.3)仿真迭代计算

方程的边界条件初始化之后，使用前向欧拉方法对心脏模型和细胞模型的方程进行迭代计算，求解每一时刻方程的解，每一次迭代的参数为时间步长dt，根据dt先求解细胞模型得到每个细胞当前仿真时间的总电流，然后用dt和每个细胞当前仿真时间的的总电流求解得到每个细胞当前仿真时间的跨膜电压。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一中与细胞模型无关的虚拟心脏电生理仿真架构实现方法具体为：

(2.1)在Lua运行时虚拟机中加载细胞模型对应的动态衔接库；

(2.2)根据getParamNames，getParamTypes，getParamDefs返回的状态变量名称、数值类型、初始值以及使用细胞模型的细胞数量构造与细胞模型无关的状态变量数据结构；

(2.3)在仿真迭代循环中以第(2.2)步构造的与细胞模型无关的状态变量数据结构调用updateItot，进行细胞模型方程的求解；

其中，所述与细胞模型无关的状态变量数据结构：

在仿真过程中，每一个细胞都有一组状态变量记录细胞所对应细胞模型的求解所需要的数据结构，数据结构应该满足如下几个特征：

(a)可以遍历访问某一个或所有状态变量；

(b)可以存储任意数量的状态变量；

(c)可以存储任意数值类型的状态变量；

(d)包含了使用该细胞模型的所有细胞的状态变量，方便仿真过程中对细胞的状态进行更新；

其中，所述动态衔接库，需要向Lua语言运行时虚拟机导出4个函数：getParamNames，getParamTypes，getParamDefs，updateItot；

其中，所述getParamNames接收0个参数，按照所实现细胞模型的内容，用该细胞模型所含有的每个状态变量的名称构造一个Lua语言中的table数据结构并作为返回值返回给调用者；

所述getParamTypes接收0个参数，按照所实现细胞模型的内容，用该细胞模型所含有的每个状态变量的数值类型构造一个Lua语言中的table数据结构并作为返回值返回给调用者；

所述getParamDefs接收0个参数，按照所实现细胞模型的内容，用该细胞模型所含有的每个状态变量的初始值构造一个Lua语言中的table数据结构并作为返回值返回给调用者；

所述updateItot接收2个参数：(1)存储了使用该细胞模型的所有细胞的状态变量信息的细胞模型无关的状态变量数据结构；(2)时间步长dt；用前向欧拉方法求解该细胞模型，并更新输入参数中的状态变量。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤二中驾驭式控制仿真客户端实现的功能主要是接收用户的输入命令用一个有穷状态机来进行描述；

(一)定义状态机DFA＝(Q,E,translate,S,S)，如图4所示，，其中Q为所有的状态，Q＝(S，TissueReady，CaseEditing，Ready，Writing，Reseting，Loading，Saving，Running)，E为所有的事件，E＝(e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8，e9，e10，e11，e12，e13，e14)，translate为状态转移函数，是状态机在任意状态下输入任一状态所要转移到的状态；其中，所述S表示开始状态，TissueReady表示组织文件解析完毕状态，CaseEditing表示正在进行仿真配置数据的编辑，Ready表示已经将仿真配置数据配置完成，Writing表示正在写仿真结果，Reseting表示正在重置仿真计算程序状态，Loading表示正在加载仿真计算中间状态，Saving表示正在保持仿真计算中间状态，Running表示正在进行仿真计算；

(二)客户端程序启动后处于S，此时接收一种事件e1：用户组织文件并传递给服务端程序解析完成后，客户端程序处于TissueReady；

(三)客户端处于处于TissueReady时，接收3种事件：

1)关闭组织文件，完成后转移到S状态；

2)选择一个仿真配置文件并传递给计算程序，完成后转移到Ready状态；

3)新建一个仿真配置文件，完成后转移到CaseEditing状态

(四)客户端处于处于CaseEditing时，接收2种事件：

1)保持仿真配置文件，完成后转移到TissueReady状态；

2)完成当前仿真配置文件编辑，完成后转移到Ready状态；

(五)客户端处于处于已经将Ready时，接收7种事件：

1)取消计算程序对当前仿真配置文件的使用(e6)，完成后转移到TissueReady状态；

2)输出仿真结果(e9)，完成后转移到Writing状态；

3)加载仿真计算的中间结果(e13)，完成后转移到Loading状态；

4)保存仿真计算的中间结果(e15)，完成后转移到Saving状态；

5)仿真一段时间(e17)，完成后转移到Running状态；

6)重置仿真状态(e11)，完成后转移到Reseting状态；

7)编辑当前仿真配置文件(e7)，完成后转移到CaseEditing状态；

(六)客户端处于Writing时，接收1种事件：

完成仿真结果输出，转移到Ready状态；

(七)客户端处于Loading时，接收1种事件：

完成中间结果的加载，转移到Ready状态；

(八)客户端处于Saving时，接收1种事件：

完成仿真计算中间结果的保存，转移到Ready状态；

(九)客户端处于Running时，接收1种事件：

完成仿真计算，转移到Ready状态；

(十)客户端处于Reseting时，接收1种事件：

重置仿真状态结束，转移到Ready状态。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤三中采用C/S(客户端/服务端)模式，整个系统架构如图2所示。基于TCP协议客户端程序与服务端程序进行通信。由于TCP协议是流式通信，为了分辨出每次通信的数据包，设计了一个跨平台、跨语言的通信协议。

在发送方要发送数据时，按照下述步骤对数据进行处理：

1)先将状态机中每个e产生的数据数据编码成JSON数据格式；

2)计算出编码后数据的长度；

3)用4个字节表示这个长度；

4)将4字节的长度信息作为数据的头部，编码后的数据作为数据的尾部；

5)将数据通过TCP协议发送给对方；

接收方收到数据后按照如下步骤进行解码：

1)接受4个字节的数据A；

2)将A的字节序列从网络序列转换成机器序列，得到长度length；

3)接受length个字节的数据B；

4)将数据B按照JSON格式进行解码，得到最终的数据。

客户端与服务端的整个通信过程如图3所示。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

Claims (5)

1.一种驾驭式虚拟心脏仿真方法，其特征在于一种驾驭式虚拟心脏仿真方法按以下步骤实现：

一、服务端虚拟心脏电生理仿真架构：

(1)虚拟心脏模型电生理仿真计算过程包括解析组织文件、边界初始化与仿真迭代计算三个部分；

(2)虚拟心脏电生理仿真架构：

基于状态变量数据结构和动态衔接库技术，将细胞模型以插件的形式嵌入到心脏模型的仿真迭代计算当中；

二、驾驭式控制仿真客户端状态机的设计：

驾驭式控制仿真客户端实现的功能主要是接收用户的输入命令，将输入命令传递给服务端，然后服务端计算结果并显示；

三、客户端与服务端程序通信方式和消息格式的设计：

采用C/S模式，基于TCP协议客户端程序与服务端程序进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种驾驭式虚拟心脏仿真方法，其特征在于所述步骤一中(1)虚拟心脏模型电生理仿真计算过程包括解析组织文件、边界初始化与仿真迭代计算三个部分具体为：

(2.1)首先需要组织文件，然后解析组织文件

组织文件描述心脏组织中心脏所在空间每个采样点处细胞的类型，组织文件是通过对心脏切片图片数据进行手工或者自动的处理、标定得到；

解析组织文件是从组织文件中得到每种细胞的数量，各个细胞的相对位置信息，为边界初始化与仿真迭代计算两个部分提供输入数据；

(2.2)边界初始化

心脏模型中每个细胞的初始值只有细胞的跨膜电压，不同细胞模型细胞的跨膜电压不同，边界初始化以细胞模型中每种细胞的数量为输入数据，分配并初始化心脏模型和细胞模型的状态变量；

其中，所述心脏模型的电压的传导过程用一个非线性反应-扩散微分方程描述：

$\frac{\∂V}{\∂t}=\frac{-(I_{\mathrm{tot}}+I_{\mathrm{stim}})}{C_m}+\mathrm{D\ΔV}$

其中，V是跨膜电位，t是时间，I_tot表示细胞总的跨膜电流，I_stim表示对细胞所施加的刺激电流，C_m是电容，D是扩散系数，△为拉普拉斯算子；

(2.3)仿真迭代计算

方程的边界条件初始化之后，使用前向欧拉方法对心脏模型和细胞模型的方程进行迭代计算，求解每一时刻方程的解，每一次迭代的参数为时间步长dt，根据dt先求解细胞模型得到每个细胞当前仿真时间的总电流，然后用dt和每个细胞当前仿真时间的的总电流求解得到每个细胞当前仿真时间的跨膜电压。

3.根据权利要求2所述的一种驾驭式虚拟心脏仿真方法，其特征在于所述步骤一中的虚拟心脏电生理仿真架构实现方法具体为：

(3.1)在Lua运行时虚拟机中加载细胞模型对应的动态衔接库；

(3.2)根据getParamNames，getParamTypes，getParamDefs返回的状态变量名称、数值类型、初始值以及使用细胞模型的细胞数量构造的状态变量数据结构；

(3.3)在仿真迭代循环中以第(2.2)步构造的的状态变量数据结构调用updateItot，进行细胞模型方程的求解；

其中，所述的状态变量数据结构：

在仿真过程中，每一个细胞都有一组状态变量记录细胞所对应细胞模型的求解所需要的数据结构，数据结构应该满足如下几个条件：

(a)可以遍历访问某一个或所有状态变量；

(b)可以存储任意数量的状态变量；

(c)可以存储任意数值类型的状态变量；

(d)包含了使用该细胞模型的所有细胞的状态变量，方便仿真过程中对细胞的状态进行更新；

其中，所述动态衔接库，需要向Lua语言运行时虚拟机导出4个函数：getParamNames，getParamTypes，getParamDefs，updateItot；

其中，所述getParamNames接收0个参数，按照所实现细胞模型的内容，用该细胞模型所含有的每个状态变量的名称构造一个Lua语言中的table数据结构并作为返回值返回给调用者；

所述getParamTypes接收0个参数，按照所实现细胞模型的内容，用该细胞模型所含有的每个状态变量的数值类型构造一个Lua语言中的table数据结构并作为返回值返回给调用者；

所述getParamDefs接收0个参数，按照所实现细胞模型的内容，用该细胞模型所含有的每个状态变量的初始值构造一个Lua语言中的table数据结构并作为返回值返回给调用者；

所述updateItot接收2个参数：(1)存储了使用该细胞模型的所有细胞的状态变量信息的细胞模型无关的状态变量数据结构；(2)时间步长dt；用前向欧拉方法求解该细胞模型，并更新输入参数中的状态变量。

4.根据权利要求3所述的一种驾驭式虚拟心脏仿真方法，其特征在于所述步骤二中驾驭式控制仿真客户端实现的功能主要是接收用户的输入命令用一个有穷状态机来进行描述；

4.1定义状态机DFA＝(Q,E,translate,S,S)，其中Q为所有的状态，Q＝(S，TissueReady，CaseEditing，Ready，Writing，Reseting，Loading，Saving，Running)，E为所有的事件，E＝(e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8，e9，e10，e11，e12，e13，e14)，translate为状态转移函数，是状态机在任意状态下输入任一状态所要转移到的状态；其中，所述S表示开始状态，TissueReady表示组织文件解析完毕状态，CaseEditing表示正在进行仿真配置数据的编辑，Ready表示已经将仿真配置数据配置完成，Writing表示正在写仿真结果，Reseting表示正在重置仿真计算状态，Loading表示正在加载仿真计算中间状态，Saving表示正在保持仿真计算中间状态，Running表示正在进行仿真计算；

4.2客户端启动后处于S，此时接收一种事件e1：用户组织文件并传递给服务端程序解析；完成后，客户端程序处于TissueReady；

4.3客户端处于TissueReady时，接收3种事件：

(1)关闭组织文件，完成后转移到S状态；

(2)选择一个仿真配置文件并传递给计算程序，完成后转移到Ready状态；

(3)新建一个仿真配置文件，完成后转移到CaseEditing状态；

4.4客户端处于处于CaseEditing时，接收2种事件：

(1)保存仿真配置文件，完成后转移到TissueReady状态；

(2)完成当前仿真配置文件编辑，完成后转移到Ready状态；

4.5客户端处于Ready状态时，接收7种事件：

(1)取消计算程序对当前仿真配置文件的使用(e6)，完成后转移到TissueReady状态；

(2)输出仿真结果(e9)，完成后转移到Writing状态；

(3)加载仿真计算的中间结果(e13)，完成后转移到Loading状态；

(4)保存仿真计算的中间结果(e15)，完成后转移到Saving状态；

(5)仿真一段时间(e17)，完成后转移到Running状态；

(6)重置仿真状态(e11)，完成后转移到Reseting状态；

(7)编辑当前仿真配置文件(e7)，完成后转移到CaseEditing状态；

4.6客户端处于Writing时，接收1种事件：

仿真结果输出，转移到Ready状态；

4.7客户端处于Loading时，接收1种事件：

完成中间结果的加载，转移到Ready状态；

4.8客户端处于Saving时，接收1种事件：

仿真计算中间结果的保存，转移到Ready状态；

4.9客户端处于Running时，接收1种事件：

仿真计算，转移到Ready状态；

4.10客户端处于Reseting时，接收1种事件：

重置仿真状态结束，转移到Ready状态。

5.根据权利要求4所述的一种驾驭式虚拟心脏仿真方法，其特征在于所述步骤三中采用C/S模式，基于TCP协议客户端程序与服务端程序进行通信：

在发送方要发送数据时，按照下述步骤对数据进行处理：

1)先将状态机中每个e产生的数据数据编码成JSON数据格式；

2)计算出编码后数据的长度；

3)用4个字节表示这个长度；

4)将4字节的长度信息作为数据的头部，编码后的数据作为数据的尾部；

5)将数据通过TCP协议发送给对方；

接收方收到数据后按照如下步骤进行解码：

1)接受4个字节的数据A；

2)将A的字节序列从网络序列转换成机器序列，得到长度length；

3)接受length个字节的数据B；

4)将数据B按照JSON格式进行解码，得到最终的数据。