酸中毒后室性心律失常的建模与仿真

发布时间：2017-08-27 22:01

  本文关键词：酸中毒后室性心律失常的建模与仿真

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【摘要】：每年由心脏病导致的死亡率不断增加。因此,对于心脏生理和病理机制的研究刻不容缓。目前,利用计算机建模来模拟和仿真心脏电生理相关指标的方法,已成为交叉学科的研究热点,它可以有效的克服动物实验或者人体实验的风险性和局限性,大大提高相关研究人员的工作效率。基于此,本文运用先进的计算机技术和数学建模知识建立了人体心室酸中毒计算模型,并基于该模型探讨了酸中毒后心律失常的产生机制。当心脏发生病变,导致体内酸性代谢产物增加时,心肌细胞就会呈现酸中毒。研究发现:酸中毒会影响细胞内钙离子浓度以及细胞膜上的众多离子电流,从而引起细胞兴奋收缩障碍,促进心律失常的发生。尤其,在酸中毒后PH恢复的时刻细胞产生的触发活动更加容易诱发心律失常,甚至会演变为室速或室颤。但是,由于实验条件的限制,目前对于酸中毒后致心律失常机制的研究多集中在微观层次上,且大多基于动物实验,而酸中毒过程中微观病理变化到心脏心律失常的发生、发展与转化机制仍不清楚。本文结合Decker等人提出的CaMKII的动态模型,改进了Lascano等人的人类心室酸中毒模型,同时构建多尺度(离子通道、细胞、组织)和多种生理及病理状态(正常、酸中毒、酸中毒后)电生理模型,分析了酸中毒对离子浓度、动作电位和组织电异质性的影响,探讨其促进室性心律失常产生的内在机制;并从系统生物学的角度,定量分析酸中毒微观病理改变对心电图的影响,阐明酸中毒微观变化到宏观心电图改变的内在机理。具体可以分为以几部分:(1)建立虚拟的人类心室酸中毒细胞模型,仿真了从正常到酸中毒再到酸中毒恢复过程中细胞的离子浓度和动作电位随PH变化的变化过程。结果发现:酸中毒末期细胞内和肌浆网内的钙浓度远远高于初始值。并且当PH恢复的时刻,即酸中恢复的初期,由于肌浆网的钙摄取和释放失衡,细胞产生了延迟后除极。同时,酸中毒对细胞膜上相关离子通道的综合调控作用使得细胞动作电位时程略微减小,最大去极化速率显著降低。单细胞的这些仿真结果有效的验证了已有的动物实验和仿真实验。(2)在一维组织模型上仿真了酸中毒过程中(正常到酸中毒再到酸中毒恢复)伪心电图的变化过程。实验结果发现:酸中毒可以导致细胞动作电位以及组织复极离散度的降低,造成相应的心电图QT间期缩短及T幅值和宽度减小。同时,酸中毒恢复初期细胞产生的触发性电动势,使得电兴奋波在组织中传导时产生了异位复极和异位除极,使对应的心电图表现为室性早搏。(3)基于二维心室组织探讨了折返波的产生条件和传导过程。实验结果表明:组织上酸中毒区域的细胞可以自发兴奋,而且产生的触发性电动势可以带动周围细胞的兴奋,由于触发活动、传导缓慢和传导阻滞等折返条件的产生,最终诱发组织产生了折返波。本文综合目前分子生物学对酸中毒后心律失常的研究,运用计算机强大的计算能力,构建了从离子到细胞再到组织等层次上的心室计算模型,并运用所建单细胞模型仿真了由正常到酸中毒再到酸中毒恢复整个过程中离子、细胞电活动等生理特征的变化;接着,本文计算了基于一维心室跨壁纤维的心电图的变化;最后本文运用建立的二维心室计算模型,仿真和研究了折返波的产生机制。总而言之,本文利用计算机技术可以建立了一套比较完善的心室电生理系统,为临床上更系统更深入的理解酸中毒状况下室性心律失常的发病机理提供了有效的新方法。
【关键词】：计算机建模与仿真 心律失常 心电图 延迟后除极
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.9;R541.7;R589.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题来源10
• 1.2 研究背景及意义10-11
• 1.3 国内外研究现状11-14
• 1.3.1 心脏电生理建模的研究现状11-12
• 1.3.2 酸中毒致心律失常的研究现状12-14
• 1.4 本文主要研究内容14-15
• 1.5 本文实验环境15-16
• 第2章 心脏的电生理基础16-21
• 2.1 心脏的起搏和传导系统16-17
• 2.2 心肌的电生理特性17-20
• 2.3 本章小结20-21
• 第3章 心室酸中毒模型的建立与仿真21-32
• 3.1 单细胞模型基础21-22
• 3.2 酸中毒细胞电生理建模22-25
• 3.3 跨膜心室纤维电生理建模25-26
• 3.4 二维组织电传导建模26-27
• 3.5 仿真方法27-31
• 3.5.1 扩散方程的数值求解方法27-29
• 3.5.2 心电图的计算29-30
• 3.5.3 实验过程30-31
• 3.6 本章小结31-32
• 第4章 仿真结果与分析32-47
• 4.1 细胞级仿真结果32-36
• 4.1.1 酸中毒期间细胞内离子浓度的变化32-34
• 4.1.2 酸中毒期间细胞动作电位的变化34
• 4.1.3 三种细胞电异质性的比较34-36
• 4.2 酸中毒过程中心电图的变化36-41
• 4.2.1 心电图形态特征的变化36-38
• 4.2.2 酸中毒后微观电活动变化与宏观心电图之间的关系38-41
• 4.3 二维组织上折返波的仿真41-45
• 4.4 酸中毒后室性心律失常机制45
• 4.5 本章小结45-47
• 结论47-49
• 参考文献49-53
• 攻读硕士学位期间发表的论文53-55
• 致谢55

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 庞亚飞;杨明;;心脏建模研究现状及发展趋势[J];中国医疗器械杂志;2011年01期

2 杨宝峰;蔡本志;;心律失常发病机制研究进展[J];国际药学研究杂志;2010年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 柳天娇;复杂心室组织电生理建模与心肌缺血折返波仿真研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

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本文编号：746023