检索结果-内蒙古大学图书馆

中国生物医学工程学报 2011年第2期30卷 240-249页

作者：李心雅许亮杨啸林彭屹中国医学科学院基础医学研究所北京协和医学院基础学院北京100005 中国医学科学院北京协和医学院阜外心血管病医院北京100037

虚拟心脏建模是连接心脏宏观和微观研究的有效手段之一。本研究利用微型计算机和可视人断层数据,通过图像增强、组织分割和三维重建,建立了分辨率为0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm的心脏结构和胸前表面几何模型;以单细胞动作电位仿真... 详细信息

虚拟心脏建模是连接心脏宏观和微观研究的有效手段之一。本研究利用微型计算机和可视人断层数据,通过图像增强、组织分割和三维重建,建立了分辨率为0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm的心脏结构和胸前表面几何模型;以单细胞动作电位仿真为基础,使用改进的规则型算法,基于惠更斯原理的各向同性和各相异性波面型算法,分别完成了特殊传导系统、心房和心室电活动的仿真,时间精度可达1 ms;结合双域模型理论,使用偶极子等效心脏的电活动,同时结合躯体模型,完成了心脏电活动到体表心电的映射,进行正常和异常情况下体表电位标测图(BSPM)及12导联心电图的仿真。通过此模型得到的由窦房结起搏的体表12导联心电图,满足正常心电的诊断标准,证明了模型的真实性和可靠性,为进一步探讨传导和起搏异常的体表心电建立基础。

关键词：全心模型电生理建模心肌各向异性仿真体表电位标测图(BSPM)

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心脏窦房结缺血的多尺度建模与仿真研究

心脏窦房结缺血的多尺度建模与仿真研究

引用

作者：白祥云哈尔滨工业大学

学位级别：博士

窦房结是心脏自动节律起搏点，将自发形成的周期性电兴奋通过心脏传导系统传至整个心脏，引起心肌的收缩与舒张。可见，窦房结就像心脏的最高级指挥官，引领整个心脏系统进行规律性活动。近年来对病窦综合征的科学研究取得了良好的发展... 详细信息

窦房结是心脏自动节律起搏点，将自发形成的周期性电兴奋通过心脏传导系统传至整个心脏，引起心肌的收缩与舒张。可见，窦房结就像心脏的最高级指挥官，引领整个心脏系统进行规律性活动。近年来对病窦综合征的科学研究取得了良好的发展，但是人们对于病窦综合征更深层次的理解以及该类疾病预防和治疗策略的发展仍然欠佳。为了详细阐明凭借生理实验方式难以探索的窦房结缺血机制及该疾病的治疗等问题，本文基于计算机技术、心脏动力学和数学知识，构建兔子窦房结多尺度电生理模型进行定量仿真分析，阐明窦房结缺血引发心动过缓的机制并预测潜在的药物治疗方法。本文主要研究内容如下：　　首先，进行窦房结起搏电流(If)阻滞对心率调节机制的理论分析与仿真验证。将理论推导和仿真验证相结合，证明部分抑制If电流时动作电位自动去极化阶段膜电流总和越小，起搏周期增量就越大。接着，利用前向欧拉法仿真分析具有不同动力学特性的人和兔子If电流局部阻断对心率的调节作用，揭示临床应用伊伐布雷定(ivabradine ，IVA)抑制If电流减缓心率，治疗由缺血性心疾病(如慢性心绞痛、急性冠脉综合症等)引发心动过速的作用机制。阐明临床低剂量IVA对患者心率调节作用与兔子心脏实验应用高剂量IVA对心率调节作用相似的原因。结果表明，临床IVA对心率的调节包含膜钟(If电流阻断)与乙酰胆碱(acetylcholine，ACh)的共同作用。　　其次，构建兔子非匀质窦房结细胞电生理模型。基于Zhang窦房结细胞模型和相关实验数据建立新的兔子窦房结非匀质细胞电生理模型，新模型不仅包含表达中心和边缘细胞的电生理非匀质性，还增加了描述细胞体积、细胞内钙水平差异性和细胞内离子浓度的数学模型，并且能够更为真实地模拟膜电流对动作电位的影响。通过对85项特性参数(包括引入马夸特算法对亚细胞级膜电流动力学参数进行非线性拟合和参数特性验证22项、细胞动作电位模型验证10项、钙瞬变参数特征验证14项、细胞膜钙外排途径贡献模拟验证4项、细胞内钠离子浓度验证2项、膜电流对动作电位和起搏特性调控作用验证29项，以及钙瞬变对动作电位和起搏特性调控作用验证4项)和实验数据的对比，验证新模型有效。该模型是模拟窦房结病理活动机制的有效工具。　　再次，对窦房结缺血诱导心动过缓的深层机制进行建模与仿真分析。基于实验数据构建窦房结缺血中心和边缘细胞电生理模型，仿真揭示缺血诱导起搏周期延长(心率降低)的根本原因。结果显示：T型钙电流减小、K-ATP电流的激活以及细胞内钠负载增强导致的钠-钾泵电流(INaK)增大、钠-钙交换电流(INaCa)反向活动增强导致中心细胞起搏周期延长;而L型钙电流增大、细胞外钾浓度升高、细胞内钠负载增强导致的INaK电流增大和INaCa电流反向活动增强是边缘细胞起搏周期延长的主要诱因。将窦房结-心房二维组织生成标准笛卡尔网格，构建具有真实解剖结构的窦房结-心房二维组织电传导模型，仿真揭示缺血以及ACh作用叠加时组织电兴奋的产生和传导特性的变化。结果显示：缺血组织起搏频率降低，组织激活时间延长且电兴奋传导速度下降，该现象是由缺血导致细胞去极化速度降低所致;ACh作用进一步延长缺血组织起搏周期，且当ACh浓度升高至一定程度时组织无法兴奋，暗示窦房结缺血患者在夜间可能发生窦性停搏甚至猝死的可能。该研究在揭示窦房结缺血机制的同时，也充分体现出虚拟心脏模型的实用价值。　　最后，对窦房结缺血的药物治疗效果进行仿真预测。结合心肌电生理知识和药物作用建模机理，构建多尺度缺血窦房结的药物作用模型，模拟并预测中药(益气通阳方)对窦房结缺血引发心动过缓的治疗效果。结果显示，该药物可有效治疗因窦房结缺血引发的心动过缓，且对起搏频率的调控作用与药物对If电流的增强程度呈正比关系。该研究不仅成功地预测药物作用疗效，也说明通过构建虚拟心脏模型的方法进行药物对心脏疾病作用机理和作用疗效的研究是一种非常有效的手段。　　本研究成果揭示了窦房结缺血诱导心动过缓的根本原因，并为临床药物治疗研究提供了前期理论依据。建立的新一代兔子窦房结非匀质细胞电生理计算模型对于研究病窦综合症的发生机制也具有普遍应用价值和重要科学意义。

关键词：窦房结缺血生物计算虚拟心脏电生理建模仿真分析

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面向心肌细胞电生理模型的表述方法研究

面向心肌细胞电生理模型的表述方法研究

引用

作者：杜佳菲哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的进步,人类对自身的认识也越来越深入、越来越全面,但是由于传统的生命科学研究方法存在着许多局限,使得人类对于诸如心脏、人脑、神经系统等方面的研究一直难以获得较大进展。然而计算机技术的飞速发展大大地推动了人类... 详细信息

随着科学技术的进步,人类对自身的认识也越来越深入、越来越全面,但是由于传统的生命科学研究方法存在着许多局限,使得人类对于诸如心脏、人脑、神经系统等方面的研究一直难以获得较大进展。然而计算机技术的飞速发展大大地推动了人类对自身生命现象和本质的研究,其中心脏建模就越来越受到人们的关注,它不仅是一种有效的科学研究方法,而且在临床上也有很高的应用价值。心脏建模中一项关键的基础内容就是心肌细胞电生理模型的表述,它的准确性直接影响着心脏仿真系统的性能。目前,主要有两类表述心脏细胞生理模型的方法,但是每类方法都存在着不足,一.使用数学符号对模型进行表述使得模型内容即准确又容易被读者理解,但是很难在计算机中使用以进行仿真处理;二.使用程序语言代码对模型进行表述使得模型可以很好地用来进行计算机仿真处理,但是给读者的理解造成了很大的困难,而且程序语言代码都局限于某种特定的程序语言或某种特定的框架体系,这使得开发出来的模型很难进行集成或跨平台操作。虽然有很多新的表述方法陆续被定义出来,但是并没有一种扩展性,兼容性,针对性都很高的方法。本文首先介绍了心肌细胞电生理模型的表述内容,分析了当前常见的表述方法对于仿真处理的优缺点,结合这些优缺点提出了在心脏建模中使用XML来对心肌细胞电生理模型进行表述的想法,这样表述出来的模型不仅有很好的扩展性,而且还有很好的兼容性。然后针对心脏建模中心肌细胞电生理模型的需求进行了分析,结合XML在数据组织和数据表述方面的优势,设计了一种基于XML的心肌细胞电生理模型表述方法,给出了这种表述方法的格式与样例。介绍了使用设计的表述方法构建模型的步骤,构建了相应的文档类型定义,并根据文档类型定义,构建出完整的XML文档。最后,利用文档对象模型设计并实现了一个专用的心肌细胞电生理模型编辑解析器,还对通过编辑解析器得到的心肌细胞电生理模型进行了表述效果测试,测试结果证明设计的心肌细胞电生理模型的表述方法是准确有效的,可以仿真到正确的心肌细胞电生理数据。

关键词： XML 心肌细胞电生理建模

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心肌细胞电生理模型通用表达方法研究及可视化实现

心肌细胞电生理模型通用表达方法研究及可视化实现

引用

作者：杨国胜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

虚拟心脏是指将现代计算机科学领域的新理论、新方法和新技术应用于人体心脏生理学研究中,通过建立细胞、组织和器官等各级生理学对象的数学定量模型,来描述生理学中各种复杂过程的基本原理。它使得生物和医学研究人员对人体心脏生理反... 详细信息

虚拟心脏是指将现代计算机科学领域的新理论、新方法和新技术应用于人体心脏生理学研究中,通过建立细胞、组织和器官等各级生理学对象的数学定量模型,来描述生理学中各种复杂过程的基本原理。它使得生物和医学研究人员对人体心脏生理反应机制的理解更加系统化、条理化和规范化,并为药效评估和临床试验的研究提供更直观和更高效的指导,是一门具有广阔应用前景的多学科交叉的研究领域。心肌细胞电生理模型的构建是整个虚拟心脏研究工作的基础,如何对模型进行描述,直接影响着虚拟心脏仿真系统的性能。结合心肌细胞电生理的知识,本文主要针对心肌细胞电生理模型通用表达方法进行探索和研究,主要研究内容包括: (1)提取心肌细胞电生理模型的抽象结构,实现模型的划分。首先综合分析各类心肌细胞电生理模型的内容,提取模型中的普遍概念,实现元素的分类;其次,确定元素之间的依赖关系,构建模型的抽象结构。 (2)考虑心肌细胞电生理建模需求,设计并实现了基于XML的心肌细胞电生理建模语言MCML。内容上,利用语义的相关性和元素的依赖性,MCML保证了模型描述的完整;表述上,基于XML,MCML增强了模型描述的通用性与可移植性。 (3)设计并实现MCML编辑器,提供图形化的用户界面,允许用户通过可视化的操作创建MCML模型,进而得到模型对应的XML文件。在MCML编辑器中,将MathML编辑器作为插件,整合进系统,实现了对数学等式的可视化编辑。它的实现使用户从枯燥繁冗的手工编写模型文件过程中解放出来,推进了MCML在心肌细胞电生理模型的描述过程中的应用。 (4)利用MCML编辑器,分别实现了窦房结与心室肌两类心肌细胞电生理模型的实例描述,将得到的XML模型文件在ECM仿真平台中进行效果测试,分析测试结果,对MCML的表述效果与MCML编辑器的系统性能给出了客观评价。

关键词： XML 心肌细胞电生理建模可视化实现

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