带参数的心电学偏微分方程的模型降阶算法研究及其应用

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11801348
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 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

Computational modeling of cardiac electrophysiology using the monodomain/bidomain partial differential equations is a bio-physically based and well-established field. However, the large-scale computational complexity hinders the effective application of numerical simulation for improved diagnosis and prognosis of cardiac arrhythmia. Model order reduction is a powerful technique to reduce large-scale into small-scale for improving computational efficiency. This project seeks to address several open problems in reduced order modeling of monodomain/bidomain equations, that arise from the shock characteristics of solutions and the high sensitivity to model parameters. The purpose of this project includes the derivation of an a posteriori error estimator for the reduced monodomain equation and developing the greedy reduced basis algorithm; the development of preconditioned iterative solvers for the reduced monodomain/bidomain equations, so as to eliminate the limitation due to shock characteristics; using dynamic mode decomposition (DMD) to efficiently build the adaptive reduced basis and applying it to optimal control problems constrained by the monodomain equation; to study the inherent relation between DMD and exponential time differencing. This research, on the one hand, can make ideas of real-time simulation more realistic. On the other hand, it could also provide new ideas for the reduced order modeling of other partial differential equations with similar characteristics.
基于monodomain/bidomain偏微分方程的心电传导数值模拟是一个有生理学基础且发展成熟的领域,但超大规模的计算复杂度阻碍了数值仿真在心脏疾病预控中的有效应用。模型降阶快速算法是将大规模数值计算降阶成小规模以提高计算效率的有力工具。本项目致力解决心电传导方程的模型降阶算法中的几个公开问题,这些难题源于心电传导方程解的激波特性和对模型参数的高度敏感性。项目具体目的包括分析monodomain方程降阶解的后验误差估计,建立缩减基贪婪算法;对降阶模型研究预条件迭代解法,从而去掉解的激波特性带来的局限性;借助动态模式分解法(DMD)快速构造自适应缩减基,应用到以monodomain方程为约束条件的最优控制中;研究DMD与指数时间差分算法的内在联系。本研究一方面可以把很多实时模拟的设想从不可能变成可能,另一方面也将为其它类似方程的模型降阶算法研究提供新的思路。

结项摘要

本项目主要研究了心血管疾病预控方面相关的若干数值计算问题,包括模拟心血管流渗透的带参数的Stokes-Darcy模型、带参数的Navier-Stokes方程的快速算法设计和分析. 研究目标是提高心血管流模拟中数值计算的有效性、准确性和高效性,以更好地辅助针对病人个案的心血管疾病预控. 目前发表的四项工作从不同角度实现了该目标. 具体而言,第一项工作针对带参数的Stokes-Darcy血流渗透模型设计了一种快速解耦和集成算法,该工作受到了学术同行关注;第二项研究对心血管流体力学模型中带参数的Navier-Stokes方程提出了两种二阶、稳定的标性辅助变量(SAV) 集成算法,并利用两种稳定子提高了已有SAV算法的准确性;第三项研究对带参数的Stokes-Darcy模型设计了两种新的无条件稳定的解耦-集成算法,该算法具有普适性,便于推广到其他类似的耦合模型。最后一项工作是对Stokes-Darcy模型中不同的方程采用不同的时间步长来离散以提高计算效率, 这里仍然考虑的是变参数的情况,证明了算法的长时间稳定性。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Stabilized scalar auxiliary variable ensemble algorithms for parameterized flow problems
参数化流问题的稳定标量辅助变量集成算法
  • DOI:
    10.1137/20m1364679
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    SIAM Journal on Scientific Computing
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Jiang Nan;Yang Huanhuan
  • 通讯作者:
    Yang Huanhuan
SAV decoupled ensemble algorithms for fast computation of Stokes-Darcy flow ensembles
用于快速计算 Stokes-Darcy 流系综的 SAV 解耦系综算法
  • DOI:
    10.1016/j.cma.2021.114150
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Jiang Nan;Yang Huanhuan
  • 通讯作者:
    Yang Huanhuan
A second order ensemble method with different subdomain time steps for simulating coupled surface-groundwater flows
模拟地表-地下水耦合流的不同子域时间步的二阶系综方法
  • DOI:
    10.1002/num.22846
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Numerical Methods for Partial Differential Equations
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Jiang Nan;Li Ying;Yang Huanhuan
  • 通讯作者:
    Yang Huanhuan

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其他文献

西藏改则多龙矿集区地堡那木岗矿床钾玄质二长花岗斑岩锆石LA-MC-ICP-MSU-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义
  • DOI:
    10.16509/j.georeview.2017.01.017
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    地质论评
  • 影响因子:
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  • 作者:
    韦少港;唐菊兴;宋扬;刘治博;王勤;林彬;王艺云;方向;杨欢欢;冯军
  • 通讯作者:
    冯军
一种编码式低雷达散射截面超表面天线阵列设计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郝彪;杨宾锋;高军;曹祥玉;杨欢欢;李桐
  • 通讯作者:
    李桐
倾斜波束非对称SAARS微带天线设计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    西安电子科技大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    曹祥玉;高军;郑秋容;杨欢欢
  • 通讯作者:
    杨欢欢
不同土样冻胀融沉特性实验和数值模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    科学技术与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    赵智辉;杨双锁;郝瑞卿;牛少卿;杨欢欢;庞星
  • 通讯作者:
    庞星
基于宽波束磁电偶极子天线的宽角扫描线性相控阵列
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨浩楠;曹祥玉;高军;杨欢欢;李桐
  • 通讯作者:
    李桐

其他文献

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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

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          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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