虛擬心臟正常電生理的仿真及房顫的研究

楊陽

【摘 要】 虛擬心臟仿真建模是指將細(xì)胞生物學(xué)、血流動力學(xué)、電生理學(xué)等理論知識整合形成新的建模體系，并用于研究正常狀態(tài)及各種病理?xiàng)l件下心臟各項(xiàng)功能的運(yùn)行狀況。虛擬心臟仿真建模能夠幫助我們深入了解心臟的本質(zhì)以及運(yùn)動規(guī)律，并為臨床中各種疾病的治療提供指導(dǎo)性的意見及建議。

【關(guān)鍵詞】 虛擬心臟;電生理;仿真;房顫

由于人體心臟組織的數(shù)據(jù)很難獲取，故而想在真實(shí)心臟中探究一種疾病的發(fā)病機(jī)理及演變過程是極其不現(xiàn)實(shí)的，因此可通過虛擬心臟仿真建模來達(dá)成這一目的[1-2]。心臟電興奮傳導(dǎo)數(shù)學(xué)建模是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，從生理學(xué)層面上看它涉及到心肌細(xì)胞的動作電位建模以及組織層面的電傳導(dǎo)建模，從計(jì)算機(jī)層面上看它涉及到并行算法的運(yùn)行[3-4]。1 虛擬心臟正常電生理的仿真

1.1 不同部位單細(xì)胞動作電位建模

1.1.1 竇房結(jié)動作電位建模

本次研究基于人體右心房動作電位模型創(chuàng)建了人體竇房結(jié)動作電位模型。由于人體右心房細(xì)胞的體積假定為20100μm3、電容假定為100pF，竇房結(jié)細(xì)胞的體積假定為10050μm3、電容假定為50pF，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以獲得離子電導(dǎo)。不考慮電導(dǎo)率與mRNA數(shù)量之間的非線性關(guān)系，整個細(xì)胞對某一離子電流的電導(dǎo)率將正比于決定相關(guān)離子通道的一種或多種mRNA的數(shù)量。對于主要的離子電流，竇房結(jié)中相關(guān)mRNA的總量被估算出來并表示成右心房相同mRNA總量的百分比形式。

1.1.2 心房肌動作電位建模

Nygren模型、Courtemanche模型是較為常用的心房肌動作電位模型，但兩個模型的離子通道電流存在明顯的差異，這種差異性體現(xiàn)在動作電位形態(tài)及靜息電位形態(tài)上。兩種模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度相似，但屬性卻大不相同，尤其是Courtemanche模型中的I_Kur電流對動作電位持續(xù)時間的影響不大一樣。若Nygren模型中的I_sus電流發(fā)生阻塞，動作電位將明顯延長，而Courtemanche模型中的I_Kur電流卻不會發(fā)生任何變化。Courtemanche模型存在明顯的頻率依賴性，但Nygren模型沒有，這是因?yàn)閮蓚€模型的離子通道電流存在明顯的差異。由于Courtemanche模型動作電位的頻率依賴性更大，斜率變化更強(qiáng)，致使Courtemanche模型的穩(wěn)定性較差，興奮波極易碎裂，而Nygren模型的穩(wěn)定性較高。

1.1.3 心室肌動作電位建模

離子通道模型和離子電流模型（B-R模型）是較為常用的心室肌動作電位模型。但是由于多細(xì)胞電壓箝位在方法學(xué)上的局限性及電壓箝技術(shù)自身的局限性，致使B-R模型的實(shí)際應(yīng)用存在一定的局限性。心室肌細(xì)胞動作電位模型（L-R Phase I模型）是基于B-R模型發(fā)展演變而成的一種新型心室肌動作電位模型，該模型增加了對細(xì)胞外鉀濃度具有依賴性的鉀電流，同時增加了時間依從性鉀電流的負(fù)斜坡性質(zhì)。此外，L-R Phase I模型還能夠?qū)﹄x子濃度的動態(tài)變化進(jìn)行仿真，尤其是細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的過度過程，因此該模式可對與鈣離子超載條件及興奮收縮偶連過程有關(guān)的電生理現(xiàn)象進(jìn)行仿真。L-R Phase I模型能夠?qū)槿胄灾委熂靶募∪毖M(jìn)行仿真，同時能夠?qū)﹄x子通道阻塞及抗心率失常藥物的作用進(jìn)行仿真。

1.2 心臟組織電興奮傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)建模

雙域模型是仿真心臟電興奮傳導(dǎo)中較為常用的數(shù)學(xué)模型。雙域模型將心肌組織定義成兩個相互獨(dú)立的區(qū)域，即心肌細(xì)胞區(qū)域、心肌細(xì)胞外區(qū)域。此外還存在第三類區(qū)域，即心臟外區(qū)域。模型中假設(shè)細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞外區(qū)域占據(jù)統(tǒng)一物理空間且彼此相連，外周包圍著心臟外區(qū)域。雙域模型由兩個方程組成，其一主要用于闡述細(xì)胞外電位分布，能夠由已知的跨膜電位求解出細(xì)胞外電位;其二為反應(yīng)擴(kuò)散方程，用于闡述細(xì)胞電活動作用下的組織電擴(kuò)散過程，使用跨膜電位表示，其中反應(yīng)部分的非線性項(xiàng)可由細(xì)胞的離子電流總和得出。

1.3 全心臟電興奮傳導(dǎo)的仿真結(jié)果

本次研究將心臟劃分成34中具備興奮功能的心肌細(xì)胞，并運(yùn)用細(xì)胞離子通道模式呈現(xiàn)其電生理特征。其中心室肌基于人體心室肌細(xì)胞模型，心房肌基于CRN細(xì)胞模型，起搏細(xì)胞基于竇房結(jié)細(xì)胞模型。通過并行算法及興奮傳導(dǎo)算法，我們發(fā)現(xiàn)心房的興奮傳導(dǎo)由竇房結(jié)開始，并經(jīng)由右房的傳導(dǎo)通路、梳狀肌及界嵴流入房室交界區(qū)域。與此同時backmann束會將興奮傳導(dǎo)至左房。竇性心律下左心房的初始激動也是經(jīng)由backmann束傳導(dǎo)的。在竇房結(jié)激活后19ms，右心房的backmann束開始興奮，24ms后房間隔興奮。在左房的測量中，靠近backmann束的部位最先興奮，43ms后房間隔的部分開始興奮。backmann束的心內(nèi)膜激活時間為23ms，左房的心內(nèi)膜激活時間為80ms，右房的心內(nèi)膜激活時間為81ms，整個心房的心內(nèi)膜激活時間為120ms。心室去極化的時序?yàn)槭议g隔的左心室面、左室間隔面、右心室間隔面。室間隔開始去極化20ms后，左右心室的內(nèi)膜面將同時去極，去極面分別在兩個心室腔由心內(nèi)膜向心外膜方向擴(kuò)展。由于左心室的壁厚是右心室壁厚的3倍，故而當(dāng)右心室完成去極化后，左心室依舊持續(xù)進(jìn)行，直至左心室完成去極化。

2 房顫

房顫是一種臨床上較為常見的慢性心律失常疾病，患者的臨床表征主要為心悸、頭暈等癥狀，且極易并發(fā)心梗、腦梗、心衰等疾病，對患者的正常生活及生存質(zhì)量具有嚴(yán)重的不良影響。本次研究采用兩種房顫誘發(fā)方式，即十字刺激法、異位刺激法。十字刺激法是指先給予一列刺激，使其產(chǎn)生平面波傳導(dǎo)，經(jīng)過一段時間后在心臟的垂直于第一次刺激方向的部位進(jìn)行第二次刺激，只要刺激時間適宜便會產(chǎn)生螺旋波，即房顫。異位刺激法是指在竇房結(jié)的附近區(qū)域進(jìn)行刺激，經(jīng)過一段時間后在進(jìn)行一連串刺激，從而誘發(fā)房顫。

在十字刺激法中，房顫的維持時間在5s以上，仿真結(jié)果顯示細(xì)胞的特性及各向異性與螺旋波的傳導(dǎo)方式具有緊密的關(guān)聯(lián)性。在各向同性的傳播中，螺旋波的數(shù)量相對較少，而且波的碎裂也極少發(fā)生;在右心房中，由于細(xì)胞的異質(zhì)性會增大波的碎裂，但心房中其它區(qū)域的螺旋波均會圍繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。在各向異性的傳播中，整個心房均會發(fā)生波的碎裂，而且螺旋波的波頭會隨意改變。

在異位刺激法中，房顫的維持時間在20s以上，仿真結(jié)果顯示細(xì)胞的特性及各向異性與房顫的發(fā)生、維持具有緊密的關(guān)聯(lián)性。

3 結(jié)論

虛擬心臟仿真建模是指將細(xì)胞生物學(xué)、血流動力學(xué)、電生理學(xué)等理論知識整合形成新的建模體系，并用于研究正常狀態(tài)及各種病理?xiàng)l件下心臟各項(xiàng)功能的運(yùn)行狀況。由于人體心臟組織的數(shù)據(jù)很難獲取，故而想在真實(shí)心臟中探究一種疾病的發(fā)病機(jī)理及演變過程是極其不現(xiàn)實(shí)的，因此可通過虛擬心臟仿真建模來達(dá)成這一目的。只要將調(diào)整好病理狀態(tài)下的心肌細(xì)胞參數(shù)，就可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模，將建模結(jié)果與臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行對照以此評估建模數(shù)據(jù)的正確性。本次研究將心臟劃分成34中具備興奮功能的心肌細(xì)胞，并運(yùn)用細(xì)胞離子通道模式呈現(xiàn)其電生理特征。其中心室肌基于人體心室肌細(xì)胞模型，心房肌基于CRN細(xì)胞模型，起搏細(xì)胞基于竇房結(jié)細(xì)胞模型。通過并行算法及興奮傳導(dǎo)算法，我們發(fā)現(xiàn)心房的興奮傳導(dǎo)由竇房結(jié)開始，并經(jīng)由右房的傳導(dǎo)通路、梳狀肌及界嵴流入房室交界區(qū)域。與此同時backmann束會將興奮傳導(dǎo)至左房。竇性心律下左心房的初始激動也是經(jīng)由backmann束傳導(dǎo)的。十字刺激法、異位刺激法是兩種常用的房顫誘發(fā)方式。在十字刺激法中，房顫的維持時間在5s以上，仿真結(jié)果顯示細(xì)胞的特性及各向異性與螺旋波的傳導(dǎo)方式具有緊密的關(guān)聯(lián)性。在異位刺激法中，房顫的維持時間在20s以上，仿真結(jié)果顯示細(xì)胞的特性及各向異性與房顫的發(fā)生、維持具有緊密的關(guān)聯(lián)性。虛擬心臟仿真建模能夠幫助我們深入了解心臟的本質(zhì)以及運(yùn)動規(guī)律，并為臨床中各種疾病的治療提供指導(dǎo)性的意見及建議。

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