[发明专利]一种人体心室肌组织的心力衰竭模型的设计方法

权利要求书

1.一种人体心室肌组织的心力衰竭模型的设计方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，确定细胞刺激方案

给人体心室肌组织的单个细胞施加连续的n个刺激，前n-1个刺激每两个刺激的时间间隔不断的缩小，时间间隔为280～1000ms，最后一个刺激与前一个刺激的时间间隔为800～1000ms；刺激强度为-38～52μA/cm²，持续时间为1～2ms，刺激频率为1～2Hz；

第二步，建立细胞电生理模型

从数学角度分析TP06细胞模型，TP06细胞模型即为多个非线性方程，非线性方程的数目即为TP06细胞模型中定义的变量个数；非线性方程具体形式如下：

式中：τ是时间常数，即p从峰值降低到67％所需要的时间；p代表不同的门控变量，假设p有“开”、“关”两种状态，门从关到开和从开到关的速率分别为α和β，不同p的状态改变实现各离子电流，并引起膜电压V的一系列变化，即动作电位，t是计算机仿真时间；设定时间步长为0.02ms～0.05ms；

第三步，建立细胞的ECC模型

细胞力学模型中的NHS08力学模型的计算方程如下：

T_ind＝T_ref(z/z_max)

T0＝T_inda

式中，T_ind表示肌小节的长度和速度不相关张力；T0表示肌小节的等长条件下对Ca²⁺存在依赖性的张力，z是可利用的肌动蛋白TnC位点分数，z_max是在给定肌小节长度下，可利用的肌动蛋白位点的最大的分数，a是肌小节长度和速度的尺度函数；

使用强耦合方法实现细胞电生理模型和NHS08力学模型耦联，形成ECC模型，即在相同的时间条件下，求解TP06细胞模型和NHS08力学模型中的非线性方程；使用一阶前向Euler算法求解ECC模型中所有非线性方程，时间步长为0.02～0.05ms；为了获得稳定的ECC模型，以1～2Hz的频率仿真多个电生理过程后，再记录细胞电生理模型和NHS08力学模型的人类心室肌细胞的电-力特性；

第四步，建立人类心室肌细胞的心衰模型

首先，将具有超慢失活和再激活特性的人类心室肌细胞的L-型钠电流I_NaL加入到ECC模型中，用I_NaL＝G_NaLm³h(V-E_NaL)计算，使ECC模型真实再现出人类心室肌细胞的钠电流的动态跨膜过程，式中m,h表示钠通道的激活、快速失活，G_NaL表示L-型钠通道电导，E_NaL表示L-型钠通道的平衡电势；然后对ECC模型的部分参数进行调整，如下表

第五步，建立人类心室肌组织的心衰模型

首先，将细胞之间兴奋的传导过程加入到ECC模型中，兴奋在二维心室肌组织中传导使用扩散方程描述：

式中：是空间梯度算子，x和y为组织的空间坐标，仿真中分别通过水平方向和竖直方向的二阶差商来表示，项反映了兴奋膜电位在心室肌组织中的扩散传导过程，V是膜电压，C_m为单位细胞膜面积上的等效电容，D是扩散系数，即用来模拟闰盘电阻的作用；I_ion是单位细胞膜面积上受到离子浓度、膜电位和门控变量制约的总的细胞膜电流密度；I_st是单位细胞膜面积上的刺激电流强度；从数值计算的角度分析对扩散方程做近似，如下：

式中：Δx和Δy称为空间步长，且可调；

然后，采用无通量边界条件对二维心室肌组织进行边界处理，方程如下：

式中：x和y是组织的空间坐标，x_min和x_max分别表示x坐标的最小值和最大值，y_min和y_max分别表示y坐标的最小值和最大值，方程的求解过程如下：

沿x轴和y轴方向计算位于心室肌组织片边界处第n个细胞的膜电压，其中：沿x轴的变量为j，沿y轴的变量为i，兼顾计算精度和效率，细胞n位于组织边界上四个顶点时，计算公式如下：

细胞n位于左右边界时，即沿y轴方向变化，计算公式如下：

同理，细胞n位于上下边界时，即沿x轴方向变化，计算公式为：

最后实现多个细胞组成的正方形二维心室肌细胞组织块。