多项分数阶模型的高效数值算法及其在核磁共振成像上的应用

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11801543
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0501.算法基础理论与构造方法
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The magnetic resonance imagining (MRI) has been established as a routine but indispensable tool in the imaging procedures. Recently, to meet the growing imaging needs, many researchers favor the high-field MRI and the high b-value diffusion-weighted imaging. Although effectively improving the imaging quality, these technologies lead to deviations in MRI signal relaxation and diffusion, which cannot be appropriately described by the classical mono-exponential models..Recently, the application of fractional models to account for these anomalies has achieved some preliminary success. Given that the varied values of fractional orders are related to the tissue structure and composition, we proposed the multi-term time fractional Bloch and Bloch-Torrey equations. However, owing to the complexity of the fractional-order definition, it is difficult to find the solutions with a high efficiency to ensure the ensuing applications. To investigate the anomalous decay of MRI signal relaxation and diffusion, this project centers on solving the multi-term time fractional Bloch and Bloch-Torrey equations with less requirement of storage and computation by using novel fast calculation and parallel computation, which is surely of great theoretical and pratical significance.
核磁共振成像技术是医学影像技术中不可或缺的常规成像手段之一。近年来,为满足更高的成像需求,研究人员开始青睐高场强核磁共振成像和高b值弥散加权成像。二者虽然能有效改善成像质量,但是会对应产生传统指数模型所无法描述的反常衰减和反常扩散现象。.最近,分数阶模型在描述核磁共振信号的反常现象上取得了初步进展。考虑到组织的结构和成分与分数阶导数密切相关,项目申请人提出了多项分数阶Bloch以及多项分数阶Bloch-Torrey方程。然而,由于分数阶定义本身的复杂性,对其的数值求解相对困难且效率低,难以开展模型的进一步应用。本项目将围绕核磁共振的多项分数阶模型,提出计算量小、存储量少的新快速算法和并行算法以及对应的数值分析,从而研究高场强和高b值情况下核磁共振信号的反常衰减和反常扩散行为,这在理论和实际应用上都具有重要意义。

结项摘要

现代科学和工程中的许多问题,都可以用基于微分方程的数学模型来进行描述。由于模型的复杂性,方程的精确解析解通常难以获得,需要寻求近似的数值解。本课题围绕新建立的数学模型,包括分数阶和整数阶偏微分方程,提出了相应的高效并行算法和快速算法对其求解。通过结合真实人体医学影像数据(包括MRI和CT),验证模型及算法的有效性,旨在提取具有临床价值的重要信息来指导相关疾病的诊断与治疗。主要研究内容包括:(1)基于核磁共振的分数阶模型研究MRI信号的反常衰减现象,着重介绍模型和算法的可靠性;(2)基于CT影像提取的人体血管几何模型进行大规模个性化血流数值模拟,重点强调算法的高可扩展性。项目开展三年以来,共发表高水平学术论文6篇,其中SCI收录5篇,EI收录1篇,多次参加学术交流会议,并邀请同行专家进行学术交流指导。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(0)
A parallel domain decomposition method for large eddy simulation of blood flow in human artery with resistive boundary condition
电阻边界条件下人体动脉血流大涡模拟的并行域分解方法
  • DOI:
    10.1016/j.compfluid.2021.105201
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
    Computers & Fluids
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Liao Zi-Ju;Qin Shanlin;Chen Rongliang;Cai Xiao-Chuan
  • 通讯作者:
    Cai Xiao-Chuan
TIKHONOV regularization method of an inverse space-dependent source problem for a time-space fractional diffusion equation
时空分数扩散方程的逆空间相关源问题的 TIKHONOV 正则化方法
  • DOI:
    10.11948/20200397
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Applied Analysis and Computation
  • 影响因子:
    1.1
  • 作者:
    Li Jing;Tong Gongsheng;Duan Rouzi;Qin Shanlin
  • 通讯作者:
    Qin Shanlin
Numerical Simulation of Blood Flows in Patient-specific Abdominal Aorta with Primary Organs
患者特定腹主动脉及主要器官血流的数值模拟
  • DOI:
    10.1007/s10237-021-01419-7
  • 发表时间:
    2021-02-13
  • 期刊:
    BIOMECHANICS AND MODELING IN MECHANOBIOLOGY
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Qin,Shanlin;Chen,Rongliang;Cai,Xiao-Chuan
  • 通讯作者:
    Cai,Xiao-Chuan
A highly parallel simulation of patient-specific hepatic flows
患者特定肝血流的高度并行模拟
  • DOI:
    10.1002/cnm.3451
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Lin Zeng;Chen Rongliang;Gao Beibei;Qin Shanlin;Wu Bokai;Liu Jia;Cai Xiao-Chuan
  • 通讯作者:
    Cai Xiao-Chuan
Efficient parallel simulation of hemodynamics in patient-specific abdominal aorta with aneurysm
具有动脉瘤的患者特定腹主动脉血流动力学的高效并行模拟
  • DOI:
    10.1016/j.compbiomed.2021.104652
  • 发表时间:
    2021-07-27
  • 期刊:
    COMPUTERS IN BIOLOGY AND MEDICINE
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    Qin, Shanlin;Wu, Bokai;Cai, Xiao-Chuan
  • 通讯作者:
    Cai, Xiao-Chuan

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其他文献

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血流非牛顿流固耦合模型的高效并行数值求解方法研究
  • 批准号:
    12371436
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  • 项目类别:
    面上项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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