[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

摘要

一种人体心室肌组织的心力衰竭模型的设计方法，属于虚拟人体心脏的技术领域。本发明以心力衰竭为研究对象，对心脏兴奋‑收缩耦合下心肌电生理、力学特征和螺旋波动力学机制进行探讨，旨在发现心衰与心律失常之间相互作用的关系。TP06模型仿真人体单个心室肌细胞，再将TP06模型与NHS08模型耦联，建立ECC模型；基于改进的TP06模型和现有数据建立人心室心衰肌细胞模型，比较正常和心衰情况下人心室肌细胞电生理和力学的特性、动作电位时程恢复曲线以及早期后除极恢复曲线；最终通过在细胞间加入耦联，成功构建二维单层心肌组织动作电位传导模型，并采用“切波法”诱发螺旋波；然后，比较了正常和心衰情况下的螺旋波动力学特征。

主权项

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：dydt=-y(V,t)-y∞(V)τy(V)]]>τy(V)=1α(V)+β(V)]]>式中：τ是时间常数，即y从峰值降低到67％所需要的时间；y代表不同的门控变量，假设y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y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：肌小节的长度和速度不相关张力Tind；肌小节的等长条件下，对Ca2+存在依赖性张力T0关系如下：Tind＝Tref(z/zmax)T0＝Tinda式中，z是可利用的肌动蛋白TnC位点分数，zmax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；为了使获得稳定的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INaL加入到ECC模型中，用INaL＝GNaLm3h(V‑ENaL)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，GNaL表示L‑型钠通道电导，ENaL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：dV/dt=-(Iion+Ist)/Cm+D▿2V]]>▿2V=∂2V∂x2+∂2V∂y2]]>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是单位细胞膜面积上的膜电压，Cm为单位细胞膜面积上的等效电容，D是扩散系数用来模拟闰盘电阻的作用；Iion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；Ist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：∂x=Δx,∂y=Δy]]>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：∂V/∂x|x=xmin,x=xmax=∂V/∂y|y=ymin,y=ymax=0]]>式中：x和y是组织的空间坐标，xmin和xmax分别表示x坐标的最小值和最大值，ymin和ymax分别表示y坐标的最小值和最大值，该方程的求解过程如下：沿x轴变量为j和y轴变量为i方向进行计算位于心室肌组织片边界处第n个细胞的膜电压，兼顾计算精度和效率，细胞点n位于组织边界上四个顶点时，计算公式如下：∂2V(1,1)=V(2,1)-V(1,1)∂x2+V(1,2)-V(1,1)∂y2∂2V(1,n)=V(2,n)-V(1,n)∂x2+V(1,n-1)-V(1,n)∂y2∂2V(n,1)=V(n-1,1)-V(n,1)∂x2+V(n,2)-V(n,1)∂y2∂2V(n,n)=V(n-1,n)-V(n,n)∂x2+V(n,n-1)-V(n,n)∂y2]]>细胞点n位于左右边界(即沿y轴方向变化)时，计算公式如下：∂2V(1,i)=V(1,i-1)+V(1,i+1)-2V(1,i)∂y2+V(2,i)-V(1,i)∂x2∂2V(n,i)=V(i-1,n)+V(i+1,n)-2V(i,n)∂y2+V(i,n-1)-V(i,n)∂x2]]>同理，细胞点n位于上下边界(即沿x轴方向变化)时，计算公式为：∂2V(j,1)=V(j-1,1)+V(j+1,1)-2V(j,1)∂x2+V(j,2)-V(j,1)∂y2∂2V(j,n)=V(j-1,n)+V(j+1,n)-2V(j,n)∂x2+V(j,n-1)-V(j,n)∂y2]]>最后实现多个细胞组成的正方形二维心室肌细胞组织块。