酸中毒后室性心律失常的建模與仿真.pdf

1、每年由心臟病導(dǎo)致的死亡率不斷增加。因此，對于心臟生理和病理機(jī)制的研究刻不容緩。目前，利用計算機(jī)建模來模擬和仿真心臟電生理相關(guān)指標(biāo)的方法，已成為交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)，它可以有效的克服動物實(shí)驗(yàn)或者人體實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險性和局限性，大大提高相關(guān)研究人員的工作效率?；诖?，本文運(yùn)用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)建模知識建立了人體心室酸中毒計算模型，并基于該模型探討了酸中毒后心律失常的產(chǎn)生機(jī)制。
　　當(dāng)心臟發(fā)生病變，導(dǎo)致體內(nèi)酸性代謝產(chǎn)物增加時，心肌細(xì)胞就會呈

2、現(xiàn)酸中毒。研究發(fā)現(xiàn)：酸中毒會影響細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度以及細(xì)胞膜上的眾多離子電流，從而引起細(xì)胞興奮收縮障礙，促進(jìn)心律失常的發(fā)生。尤其，在酸中毒后PH恢復(fù)的時刻細(xì)胞產(chǎn)生的觸發(fā)活動更加容易誘發(fā)心律失常，甚至?xí)葑優(yōu)槭宜倩蚴翌?。但是，由于?shí)驗(yàn)條件的限制，目前對于酸中毒后致心律失常機(jī)制的研究多集中在微觀層次上，且大多基于動物實(shí)驗(yàn)，而酸中毒過程中微觀病理變化到心臟心律失常的發(fā)生、發(fā)展與轉(zhuǎn)化機(jī)制仍不清楚。
　　本文結(jié)合Decker等人提出的CaMK

3、II的動態(tài)模型，改進(jìn)了Lascano等人的人類心室酸中毒模型，同時構(gòu)建多尺度(離子通道、細(xì)胞、組織)和多種生理及病理狀態(tài)(正常、酸中毒、酸中毒后)電生理模型，分析了酸中毒對離子濃度、動作電位和組織電異質(zhì)性的影響，探討其促進(jìn)室性心律失常產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制；并從系統(tǒng)生物學(xué)的角度，定量分析酸中毒微觀病理改變對心電圖的影響，闡明酸中毒微觀變化到宏觀心電圖改變的內(nèi)在機(jī)理。具體可以分為以幾部分：
　　（1）建立虛擬的人類心室酸中毒細(xì)胞模型，仿真了

4、從正常到酸中毒再到酸中毒恢復(fù)過程中細(xì)胞的離子濃度和動作電位隨PH變化的變化過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：酸中毒末期細(xì)胞內(nèi)和肌漿網(wǎng)內(nèi)的鈣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于初始值。并且當(dāng)PH恢復(fù)的時刻，即酸中恢復(fù)的初期，由于肌漿網(wǎng)的鈣攝取和釋放失衡，細(xì)胞產(chǎn)生了延遲后除極。同時，酸中毒對細(xì)胞膜上相關(guān)離子通道的綜合調(diào)控作用使得細(xì)胞動作電位時程略微減小，最大去極化速率顯著降低。單細(xì)胞的這些仿真結(jié)果有效的驗(yàn)證了已有的動物實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)。
　?。?）在一維組織模型上仿真了酸中毒過

5、程中（正常到酸中毒再到酸中毒恢復(fù)）偽心電圖的變化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：酸中毒可以導(dǎo)致細(xì)胞動作電位以及組織復(fù)極離散度的降低，造成相應(yīng)的心電圖QT間期縮短及T幅值和寬度減小。同時，酸中毒恢復(fù)初期細(xì)胞產(chǎn)生的觸發(fā)性電動勢，使得電興奮波在組織中傳導(dǎo)時產(chǎn)生了異位復(fù)極和異位除極，使對應(yīng)的心電圖表現(xiàn)為室性早搏。
　　（3）基于二維心室組織探討了折返波的產(chǎn)生條件和傳導(dǎo)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：組織上酸中毒區(qū)域的細(xì)胞可以自發(fā)興奮，而且產(chǎn)生的觸發(fā)性電動勢可以帶

6、動周圍細(xì)胞的興奮，由于觸發(fā)活動、傳導(dǎo)緩慢和傳導(dǎo)阻滯等折返條件的產(chǎn)生，最終誘發(fā)組織產(chǎn)生了折返波。
　　本文綜合目前分子生物學(xué)對酸中毒后心律失常的研究，運(yùn)用計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力，構(gòu)建了從離子到細(xì)胞再到組織等層次上的心室計算模型，并運(yùn)用所建單細(xì)胞模型仿真了由正常到酸中毒再到酸中毒恢復(fù)整個過程中離子、細(xì)胞電活動等生理特征的變化；接著，本文計算了基于一維心室跨壁纖維的心電圖的變化；最后本文運(yùn)用建立的二維心室計算模型，仿真和研究了折返波的產(chǎn)生