心脏建模仿真研究进展

本文综述了近年来国际上在不同层次上心脏建模仿真的研究成果和进展 ,分别介绍了亚细胞和细胞层次、组织和器官层次上的心脏电生理模型、机械力学模型和生物化学模型。最后 ,简要地分析了心脏建模存在的问题并展望了心脏建模仿真领域今后的发展趋势     

虚拟心脏仿真研究进展及其在临床中的应用

虚拟心脏就是利用计算机来模拟心脏的生理结构及功能,对心血管疾病的研究有重要意义。目前在心脏的各种仿真研究中,不同学科的研究小组所用的计算机模型相差较大,尚无统一的跨学科研究平台。本文从微观层次和宏观层次综述了虚拟心脏在功能性建模方面的研究进展,并对心脏疾病的模拟仿真以及虚拟心脏在临床上的应用进行了综述。最后,简要地分析了虚拟心脏建模在临床应用中的优势,并对虚拟心脏发展方向进行了展望。虚拟心脏可以定量分析所有对心脏疾病诊断和治疗极为有价值的生理信息,从而系统地揭示心脏内部运行的机制,它是现代医学科学发展的重要方向。     

对心电活动建模与仿真研究的若干认识

以电磁理论为依据的正总理２与逆问题模型是心电活动仿真研究的主注工作。这类宏观模型面临着难以建立与起微观的细胞电生理学及复杂的临床心电现象之间的联系，描述能力的不足尤显突出。本文重点讨论了基于细胞层次心脏电生理建模方法，并阐述了其在心电研究中的应用。     

心室肌细胞电生理-力学复合模型在心力衰竭中的仿真研究

目的:研究心力衰竭情况下快速收缩心肌和慢速收缩心肌力学特性的变化及其对心脏电生理的影响。方法:基于心衰心肌生理实验数据建立心室肌细胞电生理-力学复合模型,仿真对比正常和心衰肌细胞内钙离子浓度的变化,进而研究其对细胞收缩力学特性的影响。结果:仿真显示与正常细胞相比,心衰肌细胞电生理特性的变化导致细胞内钙离子浓度降低。进而与肌钙蛋白的钙结合亚单位(TnC)结合的钙离子比正常时大大减小,直接导致细胞收缩力减小。结论:心衰时心室肌细胞的收缩力减小,肌细胞中正常的电力学反馈作用减弱,增大了心室壁细胞动作电位的透壁梯度,从而可能诱发心律失常。仿真结果与文献报道的实验发现一致,将来在组织和器官层次上的心脏建模工作可以整合单细胞的电力学模型,有助于深入研究心力衰竭的病理机制。     

全心脏电生理模型的仿真应用

实现了用细胞自动机式并行计算构造全心脏的电生理模型，并介绍这种电生理模型的仿真设施与应用。仿真应用首先是求解心电图正问题，尤其是仿真各种心律失常心电图，准确说明各种不规则波形所蕴含的电生理意义。其次，是在通道层次对心电活动动力学性质特别是对心律失常形成与维持的机制进行研究，第三，是模拟对心电活动的各种调制与干预，研究起搏，除颤，消融，通道阻滞剂对心电活动的作用。     

真实心脏模型上兴奋时序图仿真数据的可视化

L FX虚拟心脏模型采用具有真实几何形状的三维心脏、躯体模型进行仿真研究 ,但在仿真输出结果上基本上以二维的形式给出。针对这一问题 ,提出了一种体元映射算法 ,将 L FX虚拟心脏模型的关键仿真数据之一兴奋时序图 (EIM)从真实几何形状的心脏模型映射到真实人体心脏模型 ,并在 4 DView三维医学图像实时可视化平台上对映射前后的 EIM仿真数据进行了三维可视化 ,从而将 L FX虚拟心脏模型的 EIM仿真数据的输出从二维拓展到了四维、从真实几何形状的心脏模型拓展到了真实人体的心脏模型。映射前后 EIM仿真数据的可视化结果表明 L FX虚拟心脏模型具有了更为直观有效的仿真特性 ,更为接近真实的人体心脏     

心脏模型中兴奋传播算法的改进

心脏电兴奋传播过程的仿真是心脏建模中的关键步骤。本文在二维空间中，心肌不分层和分层的情况下，讨论了心脏电兴奋传播的仿真处，根据惠更斯波动原理，计算出仿真时间的理论值，从而对目前最常用的LFX算法和矢量传播处的仿真时间误差进行分析。发现在心肌单元均匀时，LFX算法存在误差，而矢量传播算法没有误差，但是在心肌分层后兴奋传播途径不再是直线，矢量传播算法也带来误差，本文章对兴奋传播仿真算法提出了改进，与前两种算法比较误差显著减小，并分析了心肌划分精度对仿真算法误差的影响。     

心肌细胞跨缝隙连结兴奋传播的若干问题

连续并行求解大量心肌细胞的动作电位方程以及计算第一相邻细胞对之间的跨缝隙连结兴奋的传导是心脏电生理模型的运行方式，故跨缝隙连结兴奋传导的仿真是建模与仿真中的主要问题之一。本文提出了我们在构造一个全心脏电生理模型所涉及的跨缝隙连结兴奋传导仿真的有关问题，介绍了解决的方法，并讨论了这些方法的副作用 。     

用三维重建和有限元方法对人体心脏进行力学分析

目的　建立人体心脏的三维几何模型和有限元网格模型，进行有限元仿真计算。方法　利用可视化人体心脏数据集，通过3D-DOCTOR软件和SOLIDWORKS软件重建心脏外形和内腔的三维结构数据，以STEP格式导入ABAQUS有限元软件形成网格模型。在有限元网格模型的基础上进行心脏自振频率、内腔血压等载荷情况下的力学性能分析。结果　建立了一个数字化心脏可视模型。能够反映心脏三维形状和内腔结构；得到了心脏内腔的大致容积；反映了心脏心肌不同区域的不同性质；得到了心脏3个方向的自振频率和振型，以及内腔血压下的应力分布。结论　建立了可视化三维心脏的几何和网格模型，反映了心脏的外形和内腔。利用有限元分析方法，能够为心脏的生物力学分析提供可视化的数值仿真平台。     

心脏电活动正问题仿真研究进展

近年来随着心脏疾病越来越为人们所重视，用心脏仿真模型研究各种心脏疾病的应用新研究成为热点；与此同时，在仿真理论方面也向着更加真实地反映复杂的人体环境和更加简单易操作两方面发展，研究者们发表了很多新的研究成果。从源、容积导体及算法等方面综述了心脏仿真建模理论的最新发展。     

心肌细胞跨缝隙连结兴奋传播仿真的若干问题

连续并行求解大量心肌细胞的动作电位方程以及计算每一相邻细胞对之间的跨缝隙连结兴奋传导是心脏电生理模型的运行方式，故跨缝隙连结兴奋传导的仿真是建模与仿真中的主要问题之一。本文提出了我们在构造一个全心脏电生理模型时所涉及的跨缝隙连结兴奋传导仿真的有关问题，介绍了解决的方法，并讨论了这些方法的副作用。     

基于有限元方法的心脏除颤仿真研究

临床动物电击除颤实验无法精确测量放电电场在心脏上的实际分布情况,且存在诸多不便利和不安全因素.鉴于此,提出了一种基于心脏建模及有限元求解的心脏除颤电场分布仿真研究方法,心脏模型包含了完整的心房心室解剖结构和左右心腔,考虑了心肌细胞和血液的电阻率,然后采用有限元方法进行分析,并使用Abaqus集成环境进行求解,求解结果与文献报道的参考标准进行对比.仿真结果在除颤电压阈值和能量阈值方面与目前的植入式心脏复律除颤器( ICD)的临床应用效果具有相当的吻合度,能量阈值相对误差仅为10％,验证了所提出方法的可行性.     

基于动态心脏模型的体表心电图仿真研究

以往的电生理心脏模型大多是静态的,而非动态模型.这样在用准静电场理论求解体表电位时,整个心动周期中等效心电偶极子（源点）与体表（场点）之间的距离假设为恒定不变,从而会引入较大的系统误差.因此,为了更准确仿真心电图,有必要采用动态或跳动的心脏模型.基于原来静态心脏模型,构造了一个动态心脏模型,并对体表12导联心电图进行仿真比较研究.在动态心脏模型中考虑了心肌电兴奋引起的心脏机械力学收缩,通过计算心动周期中心室壁的位移,从而将心脏与体表之间的相对距离变化考虑进体表电位计算过程.仿真结果表明,对于正常心电图,基于动态心脏模型的仿真结果比基于静态心脏模型的仿真结果更符合临床记录心电图,特别是V1-V6胸导联的ST段和T波.对于前壁轻微缺血情况,在动态心脏模型的仿真心电图中能明显看出ST段和T波的变化,而在静态心脏模型的仿真心电图中与正常心电图相比看不出什么变化.本研究的仿真研究证实了动态心脏模型的确能更准确地仿真体表心电图.     

心脏瓣膜生物力学及相关建模方式的研究进展

心脏瓣膜生物力学是一个快速发展的、高度临床相关的研究领域。研究表明大多数瓣膜病变是由于瓣膜生物力学改变导致的，因此了解心脏瓣膜与其局部力学环境之间的相互作用对于了解正常瓣膜功能和阐明瓣膜疾病进展至关重要。然而研究这些病变的技术在很大程度上受到了限制，其中缺乏良好的瓣膜力学相互作用模型是限制该领域研究深入开展的主要瓶颈之一。随着数值计算模型、体外模型和动物模型建模技术的飞速发展，心脏瓣膜相关的生物力学和介入治疗研究取得了重大进展。本文对心脏瓣膜的生物学和生物力学及相关模型进行综述，旨在使用跨学科方法加强临床心血管医生对心脏瓣膜疾病的理解。     

构建基于正常人心脏解剖及影像数据的动态心脏模型

目的　构建基于正常心脏数据的三维动态心脏模型。 方法　采集正常成人心脏数据,通过Microsoft Visual C++和3DMax软件重建生成心脏三维模型,并将正常心电图与之整合,同步显示心脏运动。 结果　建立了数字化心脏可视动态模型,能够反映心脏三维形状和内腔结构,并可与心电图同步运动。 结论　动态心脏模型能够为心脏结构与运动的教学及疾病分析提供可视化的数值仿真平台。     

基于H—H方程的神经元模型

神经系统是一个庞大的系统，系统的结构不但从横向可以分为若干功能子系统，而且从纵向也可分为许多功能层次，各层次间不但物理构成有很大的差异，而且功能上也有相当的联系，下一层次是上一层次的基础，本文即是由此观点出发，研究在离子通道（亚细胞层次）的原理上，用仿真方法推导出神经元（细胞层次）的主要特性，由此可以建立神经元的模型（包括空间总和，时间总和，阈值，不应期，输出静特性，适应性）。本文还讨论了不能由离     

基于突变理论的心脏运动数学描述

本基于一个新角度研究了心脏搏动的突变特性，并利用突变理论建立了冠心病心脏运动的势函数模型，通过对心脏左心室容积变化曲线的模拟，表明突变势函数模型优于传统的微分方程模型。本的工作对于计算机定量诊断心血管疾病，具有较为重要的意义。     

心脏外膜电势传播过程的三维立体显示

我们借助于一组心脏的X－CT图片重构人体心脏的几何模型，并采用边界元算法从体表电位求得心外膜电位的数值解，利用计算机图形技术在1BM－PC／XT微型机上实现了心外膜电势传播过程的三维立体显示。     

心肌细胞电脉冲作用下电场分布仿真结果与分析

目的 细胞电脉冲刺激仿真是研究心脏电脉冲消融的一种仿真方式，本文建立椭球形细胞电脉冲刺激仿真模型，模拟心肌细胞受到电脉冲刺激下的情况，研究电场入射方向和细胞长度对其电场分布和跨膜电位的影响。方法 通过COMSOL5.5软件进行仿真，以球形细胞模型为基础，在边长60μm的立方体空间中建立椭球形细胞模型。于垂直于Z轴的两面施加2.4 V电压，用以模拟心肌细胞在外加匀强电场作用下的电压分布情况。改变脉冲电场与细胞长轴的夹角，研究0°、30°、60°、90°的不同电场入射角度对心肌细胞电压分布和跨膜电位的影响。保持入射角为0，研究跨膜电位最大值与细胞长轴直径的关系。结果 对于椭球形的心肌细胞，电场的入射角从0°增大到90°时，跨膜电位从1.068 V减小至0.373 V，同时最大跨膜电位的位置也发生改变。入射角为0°时，跨膜电位最大值V与细胞长轴直径D的线性回归方程为V=81.191 6+38.607 9D,r²=0.998 1。结论 电场入射角越大，细胞跨膜电位越低；细胞长轴直径越长，跨膜电位最大值越大。该研究对后续心肌细胞电脉冲刺激实验及心脏电脉冲消融的临床试验具有参...     

基于电生理-力学复合心脏模型的右心室三维运动分析

在原有电生理心脏模型基础上,我们采用有限元方法和复合材料理论建立了一个电生理-力学复合双心室模型,并基于该模型对右心室心壁在收缩期的三维运动进行仿真分析。模型建立过程中,考虑了心肌的纤维旋向、心电兴奋产生的心肌收缩力。心室壁位移、最小主应变(E 3)等用来表征心室的运动。仿真结果与加标记磁共振成像的实验结果基本一致。另外,仿真结果还表明,虽然心基部位移最大,但最大收缩力却发生在心尖部,这个结果用一般的动物实验或人体实验是难以得到的。因此,电生理-力学复合双心室模型对于今后进一步评价心脏功能具有重要意义。