心臟電力耦合與纖維化的仿真研究.pdf

1、心臟纖維化是心臟的一種病理變化，由膠原纖維在心肌的正常組織結(jié)構(gòu)中過量積聚引起，存在于多種心血管疾病中。心臟纖維化可引起心肌結(jié)構(gòu)紊亂、組織異質(zhì)性增高等，是誘發(fā)心律失常的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也是引發(fā)猝死和慢性心功能不全的潛在危險(xiǎn)因素。關(guān)于心臟纖維化的機(jī)理和治療方法的研究是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。
　　建模仿真研究作為對臨床研究的輔助手段和必要補(bǔ)充，以其便利性和可重復(fù)性受到研究人員的歡迎。為了研究心臟在正常和病理情況下的興奮收縮偶聯(lián)過程，人們建立了很多電

2、力學(xué)模型，從肌絲分子模型到組織解剖學(xué)模型等。但這些模型描述的都是心肌細(xì)胞的特性，并未考慮心血管和結(jié)締組織細(xì)胞。由于纖維化導(dǎo)致的心臟疾病的發(fā)生率隨著年齡的增長而升高，且目前人口老齡化的趨勢日益明顯，故近年來人們對于成纖維細(xì)胞在心臟電生理和力學(xué)功能中所扮演的角色產(chǎn)生了極大的研究興趣，有關(guān)成纖維細(xì)胞的模型仿真不斷涌現(xiàn)。
　　本論文的工作主要圍繞心臟纖維化相關(guān)的建模仿真這個(gè)主題展開，論文的主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面。
　　

3、首先，對心臟電力學(xué)特性和成纖維細(xì)胞特性做了回顧，并概括了目前存在的心臟電力學(xué)耦合模型以及成纖維細(xì)胞模型。
　　其次，基于人心室肌細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)發(fā)表的相關(guān)數(shù)據(jù)，對TNNP心室肌模型進(jìn)行修正，仿真實(shí)現(xiàn)了正常人心室肌細(xì)胞的動(dòng)作電位曲線。在此基礎(chǔ)上，建立心肌細(xì)胞的鈣力關(guān)系，引入牽張激活通道電流，分析肌絲收縮力的變化，運(yùn)用強(qiáng)耦合的方法，仿真二維心臟組織的電興奮和力學(xué)收縮的過程。仿真結(jié)果表明，在細(xì)胞水平上，修正后的人心室肌細(xì)胞動(dòng)作電位和

4、細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度更符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，牽張激活通道使靜息期膜電位去極化并延長動(dòng)作電位周期，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度和肌小節(jié)長度是決定肌絲張力的兩個(gè)重要因素;在組織水平上，網(wǎng)格的空間步長越小，仿真出的興奮波、去極化、復(fù)極化和動(dòng)作電位周期的波陣面越均勻，且中心點(diǎn)處的應(yīng)變最高。以上工作為研究心臟纖維化對心臟興奮和收縮的影響打下了基礎(chǔ)。
　　再次，依據(jù)生理基礎(chǔ)，構(gòu)建兩類網(wǎng)格以表征心房纖維組織和心室纖維組織，針對成纖維細(xì)胞與心肌細(xì)胞的兩種耦合方式研究心肌

5、纖維組織的傳導(dǎo)特性的變化。仿真結(jié)果顯示，兩種耦合方式都降低了興奮波的傳導(dǎo)速度，并改變了傳導(dǎo)路徑。
　　最后，首次仿真了成纖維細(xì)胞對心肌組織的力學(xué)變形的影響。通過構(gòu)建心肌細(xì)胞-成纖維細(xì)胞的耦合模型，仿真其電興奮傳導(dǎo)和力學(xué)變形過程。通過改變心肌細(xì)胞-成纖維細(xì)胞的強(qiáng)耦合模型中重要參數(shù)的數(shù)值，如組織尺寸、纖維區(qū)域、網(wǎng)格分辨率、成纖維細(xì)胞模型參數(shù)、縫隙連接電導(dǎo)等，觀察其對心臟去極化、復(fù)極化和動(dòng)作電位周期的影響。仿真結(jié)果顯示，成纖維細(xì)胞對于心