心肌电信号的元胞自动机建模及研究

发布时间：2018-07-21 18:33

【摘要】：心脏中的信息传递以电信号的形式存在。正常的心脏电信号呈现行波状态,电信号出现螺旋波态是心律失常的可能原因,而一旦螺旋波态破碎进入时空混沌态,则可引发心颤,导致猝死,因此心脏电信号的研究一直是心脏病学的热点。实验方法是研究心脏电信号的主要手段,它直观而可靠,但容易损伤实验对象、难以重复、成本较高,且难以排除其他因素而探讨特定因素的影响。数值模拟方法可以有效地弥补实验方法的不足,因此成为了研究心脏电信号的重要辅助手段。元胞自动机是一种高效简单的数值模拟方法,其中Greenberg-Hastings元胞自动机模型是最简单的可激发介质元胞自动机模型,诸多研究已证明其能很好地反映可激发介质如心脏的动力学行为。本文采用元胞自动机模型对心肌组织切片的电信号进行数值模拟研究,包括探讨切片的机械形变、细胞记忆效应两种因素对螺旋波演化行为的影响;研究心电图的产生与持续机制。本文的工作内容及结果具体如下:一、在Greenberg-Hastings元胞自动机模型基础上考虑心肌组织的机械形变,研究了心肌切片的机械形变对螺旋波动力学行为的影响,数值模拟研究结果表明:对于规则网格下的稳定螺旋波,在生理性机械形变作用下,螺旋波发生漫游但不破碎:在病理性机械形变作用下,螺旋波会发生持续漫游、漫游后消失和破碎进入时空混沌三种变化。通过对比机械形变的振幅变化率和角频率变化对螺旋波动力学行为的影响,发现机械形变的振幅变化率对螺旋波的影响较大,而机械形变的角频率对螺旋波的影响较小。结合数值模拟结果,文中对运动员在心脏受到撞击后能较一般人员更快地恢复正常心律以及心脏受到猛烈撞击后会出现心颤致死的原因进行了解释。二、建立了能体现心肌细胞传导记忆的元胞自动机模型,该模型能够反映心肌细胞上一个状态周期对电信号传导速度的影响。利用所建立的模型,不仅能模拟心肌组织中稳定螺旋波的产生与维持,还再现了螺旋波的多普勒失稳、爱克豪斯失稳以及这两种失稳同时产生的现象,这些失稳现象是传统Greenberg-Hastings元胞自动机所无法产生的。本工作的结果为进一步利用元胞自动机探讨心肌细胞传导记忆性对螺旋波动力学规律的影响提供了模型依据。三、建立了包含心房肌、心室肌、房室腔、室间隔并考虑心室肌分层结构的心电图元胞自动机模型,并利用所建立的模型仿真了电信号在心脏中的传导,计算了正常和缺血情况下的场点电势走势。数值结果表明:正常情况下,模拟所得的场点电势呈现与标准心电图一致的P波、QRS波群、T波和J波;在心内膜下肌细胞缺血情况下,出现T波倒置的现象;在心外膜下肌细胞缺血情况下,T波变得高耸;在透壁缺血情况下,T波提前形成。文中将正常和异常情况下的场点电势走势与临床结果进行了对比,并分析了其形成与持续机制。本工作可为准确阐明心电图与心肌细胞电活动之间的关系、探讨心电图的产生与持续机制提供参考。
[Abstract]:The transmission of information in the heart exists in the form of electrical signals. A normal cardiac electrical signal presents a traveling wave state, and the spiral state of the electrical signal is a possible cause of arrhythmia. Once the spiral wave state breaks into the spatiotemporal chaos, it can cause cardiac tremor and cause sudden death. Therefore, the research of the signal of the heart is a hot spot in cardiology. The test method is the main means to study the cardiac signal. It is intuitive and reliable, but it is easy to damage the experimental object, it is difficult to repeat, the cost is high, and the other factors are difficult to exclude the influence of specific factors. The numerical simulation method can effectively make up the shortage of experimental methods, so it has become an important auxiliary means to study the cardiac electrical signal. Cellular automata is a highly efficient and simple numerical simulation method, in which the Greenberg-Hastings cellular automaton model is the simplest model of the excitation medium cellular automata. Many studies have proved that the cellular automaton can reflect the dynamic behavior of the excitable medium, such as the heart. Numerical simulation of electrical signals, including the study of the mechanical deformation of slice, the effect of two factors on the cell memory effect on the evolution of spiral wave, the production and persistence of electrocardiogram. The contents and results of this paper are as follows: firstly, the mechanical mechanism of myocardial tissue is considered on the basis of the Greenberg-Hastings cellular automata model. The effect of the mechanical deformation of the myocardial slices on the dynamic behavior of the spiral wave is studied. The numerical simulation results show that the spiral waves roam but do not break under the physiological mechanical deformation under the physiological mechanical deformation. The spiral waves will continue to roam and disappear after the pathological mechanical deformation. The effect of the amplitude change rate and the change of angular frequency on the dynamic behavior of the spiral wave is compared with the change of the amplitude of the mechanical deformation. It is found that the amplitude change rate of the mechanical deformation has a great influence on the spiral wave, and the angular frequency of the mechanical deformation has little influence on the spiral wave. In combination with the numerical simulation results, the athletes are used in the paper. Two, a cellular automaton model, which can reflect the conduction memory of the cardiac myocytes, can reflect the conduction velocity of the myocardial cell cycle on the electrical signal. This model can not only simulate the production and maintenance of the stable spiral waves in the myocardial tissue, but also reappear the Doppler instability of the spiral wave, the instability of the IKE Moorhouse and the simultaneous occurrence of these two kinds of instability. These instability phenomena are not produced by the traditional Greenberg-Hastings cellular automata. The results of this work In order to further use cellular automata to explore the influence of cardiac muscle cell conduction memory on the dynamics of spiral wave dynamics, three, an electrocardiogram cellular automaton model including atrial, ventricular, atrioventricular space, ventricular septum and stratified structure of ventricular muscle was established, and the electrical signal was simulated by the model. The field potential trend in normal and ischemic conditions is calculated. The numerical results show that, under normal circumstances, the simulated field potential shows the P wave, QRS wave group, T wave and J wave in accordance with the standard electrocardiogram; the phenomenon of T wave inversion occurs under the ischemia of the endocardial myocytes; under the condition of the ischemia of the epicardial myocytes, The T wave becomes high; in the case of transmural ischemia, the T wave is formed in advance. The trend of the field potential in the normal and abnormal conditions is compared with the clinical results, and the formation and persistence mechanism is analyzed. This work can clarify the relationship between the electrocardiogram and the electrical activity of the cardiac myocytes, and discuss the production and continuous mechanism of the electrocardiogram. For reference.
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R318.0;TP301.1

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本文编号：2136452