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胞生物學、血流動力學、電生理學等理論知識整合形成新的建模體系，并用于研究正常狀態及各種病理條件下心臟各項功能的運行狀況。虛擬心臟仿真建模能夠幫助我們深入了解心臟的本質以及運動規律，并為臨床中各種疾病的治療提供指導性的意見及建議。

【關鍵詞】 虛擬心臟;電生理;仿真;房顫

由于人體心臟組織的數據很難獲取，故而想在真實心臟中探究一種疾病的發病機理及演變過程是極其不現實的，因此可通過虛擬心臟仿真建模來達成這一目的[1-2]。心臟電興奮傳導數學建模是一項較為復雜的工作，從生理學層面上看它涉及到心肌細胞的動作電位建模以及組織層面的電傳導建模，從計算機層面上看它涉及到并行算法的運行[3-4]。1 虛擬心臟正常電生理的仿真

1.1 不同部位單細胞動作電位建模

1.1.1 竇房結動作電位建模

本次研究基于人體右心房動作電位模型創建了人體竇房結動作電位模型。由于人體右心房細胞的體積假定為20100μm3、電容假定為100pF，竇房結細胞的體積假定為10050μm3、電容假定為50pF，根據上述數據可以獲得離子電導。不考慮電導率與mRNA數量之間的非線性關系，整個細胞對某一離子電流的電導率將正比于決定相關離子通道的一種或多種mRNA的數量。對于主要的離子電流，竇房結中相關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，這種差異性體現在動作電位形態及靜息電位形態上。兩種模型的實驗數據高度相似，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時間的影響不大一樣。若Nygren模型中的I_sus電流發生阻塞，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，這是因為兩個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，致使Courtemanche模型的穩定性較差，興奮波極易碎裂，而Nygren模型的穩定性較高。

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。但是由于多細胞電壓箝位在方法學上的局限性及電壓箝技術自身的局限性，致使B-R模型的實際應用存在一定的局限性。心室肌細胞動作電位模型（L-R Phase I模型）是基于B-R模型發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斜坡性質。此外，L-R Phase I模型還能夠對離子濃度的動態變化進行仿真，尤其是細胞內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的電生理現象進行仿真。L-R Phase I模型能夠對介入性治療及心肌缺血進行仿真，同時能夠對離子通道阻塞及抗心率失常藥物的作用進行仿真。

1.2 心臟組織電興奮傳導的數學建模

雙域模型是仿真心臟電興奮傳導中較為常用的數學模型。雙域模型將心肌組織定義成兩個相互獨立的區域，即心肌細胞區域、心肌細胞外區域。此外還存在第三類區域，即心臟外區域。模型中假設細胞內、細胞外區域占據統一物理空間且彼此相連，外周包圍著心臟外區域。雙域模型由兩個方程組成，其一主要用于闡述細胞外電位分布，能夠由已知的跨膜電位求解出細胞外電位;其二為反應擴散方程，用于闡述細胞電活動作用下的組織電擴散過程，使用跨膜電位表示，其中反應部分的非線性項可由細胞的離子電流總和得出。

1.3 全心臟電興奮傳導的仿真結果

本次研究將心臟劃分成34中具備興奮功能的心肌細胞，并運用細胞離子通道模式呈現其電生理特征。其中心室肌基于人體心室肌細胞模型，心房肌基于CRN細胞模型，起搏細胞基于竇房結細胞模型。通過并行算法及興奮傳導算法，我們發現心房的興奮傳導由竇房結開始，并經由右房的傳導通路、梳狀肌及界嵴流入房室交界區域。與此同時backmann束會將興奮傳導至左房。竇性心律下左心房的初始激動也是經由backmann束傳導的。在竇房結激活后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束的心內膜激活時間為23ms，左房的心內膜激活時間為80ms，右房的心內膜激活時間為81ms，整個心房的心內膜激活時間為120ms。心室去極化的時序為室間隔的左心室面、左室間隔面、右心室間隔面。室間隔開始去極化20ms后，左右心室的內膜面將同時去極，去極面分別在兩個心室腔由心內膜向心外膜方向擴展。由于左心室的壁厚是右心室壁厚的3倍，故而當右心室完成去極化后，左心室依舊持續進行，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，且極易并發心梗、腦梗、心衰等疾病，對患者的正常生活及生存質量具有嚴重的不良影響。本次研究采用兩種房顫誘發方式，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，使其產生平面波傳導，經過一段時間后在心臟的垂直于第一次刺激方向的部位進行第二次刺激，只要刺激時間適宜便會產生螺旋波，即房顫。異位刺激法是指在竇房結的附近區域進行刺激，經過一段時間后在進行一連串刺激，從而誘發房顫。

在十字刺激法中，房顫的維持時間在5s以上，仿真結果顯示細胞的特性及各向異性與螺旋波的傳導方式具有緊密的關聯性。在各向同性的傳播中，螺旋波的數量相對較少，而且波的碎裂也極少發生;在右心房中，由于細胞的異質性會增大波的碎裂，但心房中其它區域的螺旋波均會圍繞固定點旋轉。在各向異性的傳播中，整個心房均會發生波的碎裂，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，仿真結果顯示細胞的特性及各向異性與房顫的發生、維持具有緊密的關聯性。

3 結論

虛擬心臟仿真建模是指將細胞生物學、血流動力學、電生理學等理論知識整合形成新的建模體系，并用于研究正常狀態及各種病理條件下心臟各項功能的運行狀況。由于人體心臟組織的數據很難獲取，故而想在真實心臟中探究一種疾病的發病機理及演變過程是極其不現實的，因此可通過虛擬心臟仿真建模來達成這一目的。只要將調整好病理狀態下的心肌細胞參數，就可以通過計算機進行建模，將建模結果與臨床數據進行對照以此評估建模數據的正確性。本次研究將心臟劃分成34中具備興奮功能的心肌細胞，并運用細胞離子通道模式呈現其電生理特征。其中心室肌基于人體心室肌細胞模型，心房肌基于CRN細胞模型，起搏細胞基于竇房結細胞模型。通過并行算法及興奮傳導算法，我們發現心房的興奮傳導由竇房結開始，并經由右房的傳導通路、梳狀肌及界嵴流入房室交界區域。與此同時backmann束會將興奮傳導至左房。竇性心律下左心房的初始激動也是經由backmann束傳導的。十字刺激法、異位刺激法是兩種常用的房顫誘發方式。在十字刺激法中，房顫的維持時間在5s以上，仿真結果顯示細胞的特性及各向異性與螺旋波的傳導方式具有緊密的關聯性。在異位刺激法中，房顫的維持時間在20s以上，仿真結果顯示細胞的特性及各向異性與房顫的發生、維持具有緊密的關聯性。虛擬心臟仿真建模能夠幫助我們深入了解心臟的本質以及運動規律，并為臨床中各種疾病的治療提供指導性的意見及建議。

參考文獻

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