心室三維可視化及心電仿真建模.pdf

1、基于細(xì)胞電生理的心臟電活動的建模與仿真受到心電研究者們的高度重視，成為研究的熱點(diǎn)，有大量這方面的研究。但許多的模擬是在二維基礎(chǔ)上，或是對局部小塊心肌細(xì)胞的研究。目前基于全心臟或心室的三維電活動仿真己開始起步，國外有不少學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究，這些研究都處在探索階段，模型仍需不斷改進(jìn)和完善。國內(nèi)目前未見系統(tǒng)的基于細(xì)胞電生理的帶心肌纖維走向解剖結(jié)構(gòu)的三維心電活動仿真的研究。 該課題就是在對科學(xué)計算可視化問題進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，建立一個

2、亞細(xì)胞水平的基于細(xì)胞電生理的具有解剖結(jié)構(gòu)的三維心室仿真模型(模型分辨率為0.25mm×0.25mm×0.25mm，表示模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為180×136×125，其中表示細(xì)胞1039192個)，進(jìn)行心室電活動的模擬仿真。基于細(xì)胞電生理的心電仿真中包括多個子模型，主要有：心臟的幾何模型，心電傳導(dǎo)系統(tǒng)模型，心肌細(xì)胞動作電位模型，興奮傳播模型等。該課題是圍繞著這些子模型展開的，具體內(nèi)容如下： ●對心電仿真中的科學(xué)計算可視化方面進(jìn)行研究，用體

3、繪制和面繪制實(shí)現(xiàn)了仿真中的多種三維顯示。由于面繪制中反映出物體對光線的反射情況，光線的明暗感強(qiáng)，具有更好的立體效果，所以重點(diǎn)研究的是面繪制技術(shù)，對面繪制中的MarchingCubes算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了加速算法，加快了計算速度。另外還針對課題中心室數(shù)據(jù)的規(guī)則場特點(diǎn)，提出了邊界面直接求法線方向法，使得顯示速度更快。并利用顏色的亮度信息，實(shí)現(xiàn)在物體上的不同部分用不同顏色顯示具有明暗立體效果的圖，用于顯示立體的等電位圖。 ●構(gòu)建了基于

4、解剖結(jié)構(gòu)的心室分層幾何模型。心室壁具有三層結(jié)構(gòu)：內(nèi)層、中間層和外層，每層心肌細(xì)胞具有不同的動作電位特點(diǎn)，這在心電圖的形成中起著重要的作用。為此該文提出了一個三維心室分層法，建立了具有三層結(jié)構(gòu)的心室?guī)缀文Ｐ?。首先利用六叉樹搜索法?shí)現(xiàn)心室的內(nèi)、外膜的識別，在此基礎(chǔ)上用人工干預(yù)的辦法把內(nèi)外膜分開，從內(nèi)膜再用六叉樹搜索法識別出緊臨心內(nèi)膜的一個層面，同時從心外膜也搜索出緊臨的一個層面，這樣依次搜索若干次后，把剩下的作為中間層(M細(xì)胞)。再用算法找

5、到心內(nèi)層與中間層的交界處，再建立內(nèi)層與中間層的過渡帶，同樣建立外層與中間層的過渡帶。 ●利用分形理論構(gòu)建了Purkinje傳導(dǎo)系統(tǒng)。分形理論可以對看似無法描述的復(fù)雜現(xiàn)象或結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，分形理論所描述的這類結(jié)構(gòu)在局部和整體具有自相似性。心室的Purkinje系統(tǒng)就是具有自相似性質(zhì)的樹型系統(tǒng)，Purkinje纖維的分布呈分支結(jié)構(gòu)，大分支上分布著小的分支，且這種分布具有多種尺度的特點(diǎn)。該課題利用分形理論，合理選取了分形樹和樹根位置，提

6、出了分形樹在心內(nèi)膜面上的生長算法，實(shí)現(xiàn)了基于分形理論的心室傳導(dǎo)系統(tǒng)的構(gòu)建。 ●實(shí)現(xiàn)對單位個細(xì)胞動作電位方程進(jìn)行數(shù)值求解。心肌各類細(xì)胞的動作電位模型很多，這里面有的模型涉及的離子通道和門控變量少，結(jié)構(gòu)簡單，計算量少，但模型效果不好；有的包含多種離子通道，模型十分復(fù)雜，運(yùn)算量大。在該文中從模型的復(fù)雜度、計算量和模型效果方面該文選取計算量和復(fù)雜度適中的1975年的M-N-TPurkinje細(xì)胞動作電位模型和1991年的LRI心室肌細(xì)胞

7、動作電位模型，對這兩種模型進(jìn)行數(shù)值求解，繪制出單細(xì)胞的動作電位曲線，并通過改變鉀電導(dǎo)的值來調(diào)節(jié)動作電位的時程(APD)，以用于分別表示三層心肌細(xì)胞。 ●建立了細(xì)胞之間的興奮傳遞模型，細(xì)胞之間主要是通過縫隙連接進(jìn)行興奮傳導(dǎo)，在心室主要存在四種類型的縫隙連接：Purkinje細(xì)胞與Purkinje細(xì)胞之間的縫隙連接；Purkinje細(xì)胞與心室肌細(xì)胞的縫隙連接；心室肌細(xì)胞之間的軸向縫隙連接；心室肌細(xì)胞之間的徑向縫隙連接。該課題編程建立

8、了這些縫隙連接模型，根據(jù)文獻(xiàn)報導(dǎo)的興奮傳導(dǎo)速度確定了各種縫隙連接類型的縫隙連接值。 ●把子模型融合成一個心室電活動仿真模型，根據(jù)并行計算的思想，用C語言編程實(shí)現(xiàn)了整個心室興奮的傳遞過程，運(yùn)算中根據(jù)心室中心肌纖維的走向，考慮心肌在軸向和徑向傳遞的不同而表現(xiàn)出來的興奮傳遞的各向異性，計算出整個心室興奮的等時電位圖，為以后心電圖的計算打下基礎(chǔ)。 該文的目的主要是建立基于解剖結(jié)構(gòu)的三維心室電活動仿真模型，為進(jìn)行其它異常心電活動的