虚拟心脏正常电生理的仿真及房颤的研究

杨阳

【摘 要】 虚拟心脏仿真建模是指将细胞生物学、血流动力学、电生理学等理论知识整合形成新的建模体系，并用于研究正常状态及各种病理条件下心脏各项功能的运行状况。虚拟心脏仿真建模能够帮助我们深入了解心脏的本质以及运动规律，并为临床中各种疾病的治疗提供指导性的意见及建议。

【关键词】 虚拟心脏;电生理;仿真;房颤

由于人体心脏组织的数据很难获取，故而想在真实心脏中探究一种疾病的发病机理及演变过程是极其不现实的，因此可通过虚拟心脏仿真建模来达成这一目的[1-2]。心脏电兴奋传导数学建模是一项较为复杂的工作，从生理学层面上看它涉及到心肌细胞的动作电位建模以及组织层面的电传导建模，从计算机层面上看它涉及到并行算法的运行[3-4]。1 虚拟心脏正常电生理的仿真

1.1 不同部位单细胞动作电位建模

1.1.1 窦房结动作电位建模

本次研究基于人体右心房动作电位模型创建了人体窦房结动作电位模型。由于人体右心房细胞的体积假定为20100μm3、电容假定为100pF，窦房结细胞的体积假定为10050μm3、电容假定为50pF，根据上述数据可以获得离子电导。不考虑电导率与mRNA数量之间的非线性关系，整个细胞对某一离子电流的电导率将正比于决定相关离子通道的一种或多种mRNA的数量。对于主要的离子电流，窦房结中相关mRNA的总量被估算出来并表示成右心房相同mRNA总量的百分比形式。

1.1.2 心房肌动作电位建模

Nygren模型、Courtemanche模型是较为常用的心房肌动作电位模型，但两个模型的离子通道电流存在明显的差异，这种差异性体现在动作电位形态及静息电位形态上。两种模型的实验数据高度相似，但属性却大不相同，尤其是Courtemanche模型中的I_Kur电流对动作电位持续时间的影响不大一样。若Nygren模型中的I_sus电流发生阻塞，动作电位将明显延长，而Courtemanche模型中的I_Kur电流却不会发生任何变化。Courtemanche模型存在明显的频率依赖性，但Nygren模型没有，这是因为两个模型的离子通道电流存在明显的差异。由于Courtemanche模型动作电位的频率依赖性更大，斜率变化更强，致使Courtemanche模型的稳定性较差，兴奋波极易碎裂，而Nygren模型的稳定性较高。

1.1.3 心室肌动作电位建模

离子通道模型和离子电流模型（B-R模型）是较为常用的心室肌动作电位模型。但是由于多细胞电压箝位在方法学上的局限性及电压箝技术自身的局限性，致使B-R模型的实际应用存在一定的局限性。心室肌细胞动作电位模型（L-R Phase I模型）是基于B-R模型发展演变而成的一种新型心室肌动作电位模型，该模型增加了对细胞外钾浓度具有依赖性的钾电流，同时增加了时间依从性钾电流的负斜坡性质。此外，L-R Phase I模型还能够对离子浓度的动态变化进行仿真，尤其是细胞内钙离子浓度的过度过程，因此该模式可对与钙离子超载条件及兴奋收缩偶连过程有关的电生理现象进行仿真。L-R Phase I模型能够对介入性治疗及心肌缺血进行仿真，同时能够对离子通道阻塞及抗心率失常药物的作用进行仿真。

1.2 心脏组织电兴奋传导的数学建模

双域模型是仿真心脏电兴奋传导中较为常用的数学模型。双域模型将心肌组织定义成两个相互独立的区域，即心肌细胞区域、心肌细胞外区域。此外还存在第三类区域，即心脏外区域。模型中假设细胞内、细胞外区域占据统一物理空间且彼此相连，外周包围着心脏外区域。双域模型由两个方程组成，其一主要用于阐述细胞外电位分布，能够由已知的跨膜电位求解出细胞外电位;其二为反应扩散方程，用于阐述细胞电活动作用下的组织电扩散过程，使用跨膜电位表示，其中反应部分的非线性项可由细胞的离子电流总和得出。

1.3 全心脏电兴奋传导的仿真结果

本次研究将心脏划分成34中具备兴奋功能的心肌细胞，并运用细胞离子通道模式呈现其电生理特征。其中心室肌基于人体心室肌细胞模型，心房肌基于CRN细胞模型，起搏细胞基于窦房结细胞模型。通过并行算法及兴奋传导算法，我们发现心房的兴奋传导由窦房结开始，并经由右房的传导通路、梳状肌及界嵴流入房室交界区域。与此同时backmann束会将兴奋传导至左房。窦性心律下左心房的初始激动也是经由backmann束传导的。在窦房结激活后19ms，右心房的backmann束開始兴奋，24ms后房间隔兴奋。在左房的测量中，靠近backmann束的部位最先兴奋，43ms后房间隔的部分开始兴奋。backmann束的心内膜激活时间为23ms，左房的心内膜激活时间为80ms，右房的心内膜激活时间为81ms，整个心房的心内膜激活时间为120ms。心室去极化的时序为室间隔的左心室面、左室间隔面、右心室间隔面。室间隔开始去极化20ms后，左右心室的内膜面将同时去极，去极面分别在两个心室腔由心内膜向心外膜方向扩展。由于左心室的壁厚是右心室壁厚的3倍，故而当右心室完成去极化后，左心室依旧持续进行，直至左心室完成去极化。

2 房颤

房颤是一种临床上较为常见的慢性心律失常疾病，患者的临床表征主要为心悸、头晕等症状，且极易并发心梗、脑梗、心衰等疾病，对患者的正常生活及生存质量具有严重的不良影响。本次研究采用两种房颤诱发方式，即十字刺激法、异位刺激法。十字刺激法是指先给予一列刺激，使其产生平面波传导，经过一段时间后在心脏的垂直于第一次刺激方向的部位进行第二次刺激，只要刺激时间适宜便会产生螺旋波，即房颤。异位刺激法是指在窦房结的附近区域进行刺激，经过一段时间后在进行一连串刺激，从而诱发房颤。

在十字刺激法中，房颤的维持时间在5s以上，仿真结果显示细胞的特性及各向异性与螺旋波的传导方式具有紧密的关联性。在各向同性的传播中，螺旋波的数量相对较少，而且波的碎裂也极少发生;在右心房中，由于细胞的异质性会增大波的碎裂，但心房中其它区域的螺旋波均会围绕固定点旋转。在各向异性的传播中，整个心房均会发生波的碎裂，而且螺旋波的波头会随意改变。

在异位刺激法中，房颤的维持时间在20s以上，仿真结果显示细胞的特性及各向异性与房颤的发生、维持具有紧密的关联性。

3 结论

虚拟心脏仿真建模是指将细胞生物学、血流动力学、电生理学等理论知识整合形成新的建模体系，并用于研究正常状态及各种病理条件下心脏各项功能的运行状况。由于人体心脏组织的数据很难获取，故而想在真实心脏中探究一种疾病的发病机理及演变过程是极其不现实的，因此可通过虚拟心脏仿真建模来达成这一目的。只要将调整好病理状态下的心肌细胞参数，就可以通过计算机进行建模，将建模结果与临床数据进行对照以此评估建模数据的正确性。本次研究将心脏划分成34中具备兴奋功能的心肌细胞，并运用细胞离子通道模式呈现其电生理特征。其中心室肌基于人体心室肌细胞模型，心房肌基于CRN细胞模型，起搏细胞基于窦房结细胞模型。通过并行算法及兴奋传导算法，我们发现心房的兴奋传导由窦房结开始，并经由右房的传导通路、梳状肌及界嵴流入房室交界区域。与此同时backmann束会将兴奋传导至左房。窦性心律下左心房的初始激动也是经由backmann束传导的。十字刺激法、异位刺激法是两种常用的房颤诱发方式。在十字刺激法中，房颤的维持时间在5s以上，仿真结果显示细胞的特性及各向异性与螺旋波的传导方式具有紧密的关联性。在异位刺激法中，房颤的维持时间在20s以上，仿真结果显示细胞的特性及各向异性与房颤的发生、维持具有紧密的关联性。虚拟心脏仿真建模能够帮助我们深入了解心脏的本质以及运动规律，并为临床中各种疾病的治疗提供指导性的意见及建议。

参考文献

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