基于解剖结构和动作电位的心室电活动仿真方法.docx

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基于解剖结构和动作电位的心室电活动仿真方法

基于解剖结构和动作电位的心室电活动仿真方法

作者：

喻德旷1；杨谊2；尹炳生1；李本富1；农德斌1；周翔1　　（南方医科大学1基础医学院心电研究中心，2生物医学工程学院，广东广州510515）

摘要：

组成心脏的心肌细胞具有自身的电活动特点，心脏通过传导系统协调全心脏心肌细胞的电活动，引起心脏的功能性机械运动。

传统的医学实验方法难以复制心脏的电活动模型和直接观察心脏电活动的演变过程，而心电活动的仿真可以模拟心脏电兴奋的传播演变过程，对复杂生物系统进行直接观测。

本文在分析心脏解剖结构的基础上，通过算法仿真兴奋在心肌细胞之间的传递过程，计算出各心肌细胞的电活动。

本文设计了一个体现心肌纤维走向和心室细胞分层结构的几何结构模型，对不同层的心肌细胞赋予不同动作电位模型，实现了兴奋在心室肌细胞之间的传递和各心室肌细胞的电活动，并以剖切三维显示来观察兴奋过程。

本文中的方法兼顾了计算量和效率，使得高分辨率的基于解剖结构和细胞电生理的心室电活动仿真在普通PC机上实现，取得了较好的仿真效果。

关键词：

心电活动；仿真；解剖模型；动作电位

中图分类号：

TP391.9  文献标识码：

A  文章编号：

1673-4254（2006）05-0549-04

AnefficientmethodforsimulatingventricularelectricalactivitybasedonanatomicstructurebyincorporatingAPmodel

YUDe-kuang1；YANG  Yi2；YINBing-sheng1；LIBen-fu1；NONGDe-bin1；ZHOUXiang1

CardiacElectricityResearchCenter,CollegeofBasicMedicine1,CollegeofBiomedicalEngineering2,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510515,China

Abstract:

ConventionalmedicalexperimentscanhardlysimulatecardiacexcitationproPagationandobservetheevolvementofcardiacelectricalactivitiesfirsthandasispossiblewithcomputersimulation.Basedontheanatomicstructureoftheheart,simulationofcardiacelectricalactivitymainlyconsistsoftheemulationoftheexcitationprocessamongthecardiaccellsandcalculationoftheelectricalactivitiesofindividualcardiaccells.Inthisstudyweestablishageometricventricularstructuremodeldemonstratingthedirectionofthecardiacmusclefibersandthelayersoftheventricularcells,andendowdifferentactionpotentialmodelstotheventricularcellsofdifferentlayers,andobservetheactivationprocessoftheventricularPartsinviewofthethree-dimensionalanatomy.Thismethodgivesattentiontobothenoughcalculationamountsandefficiency,whichachievessatisfactorysimulationresultsofventricularelectricalactivitybasedontheanatomicstructureandcellelectrophysiologythroughanimprovedalgorithmonpersonalcomputer.

Keywords:

cardiacelectricalactivity;simulation;anatomicalmodel;actionpotential

收稿日期：

2005-10-12

基金项目：

国家自然科学基金（30471647）

SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina（30471647）

作者简介：

喻德旷（1972-），男，博士，高级工程师，主要研究方向为医学三维建模、生物信息计算机仿真等,E-mail：

yude@

    在医学领域，对心电的基本研究方法主要是依靠对心电现象的直接观察和动物实验。

由于心电图只有在有生命的个体上才能真实完整的表现出来，但心电活动实验模型的建立难度很大。

心电仿真能够克服医学研究方法的限制，利用可视化技术对心脏结构进行可视重建，对仿真结果进行直观研究。

心电仿真是以具有心肌细胞电生理特性的大量结点构成近似真实心脏的形状，由计算机仿真电兴奋的传递过程并计算出体表电位来研究心脏电活动与体表电位之间的关系。

本文简要描述心室电活动的仿真过程，包括3大步骤：

心室壁的分层、基于心肌纤维走向的整合动作电位的心室三维模型的构建、兴奋传导过程的等电位图的计算，下面分别进行介绍。

1  心内膜与心外膜的分层

    心脏中不同类型的细胞的动作电位是不同的，例如，传导细胞和参与收缩舒张的心肌细胞的动作电位、心房肌和心室肌的动作电位、甚至心室中不同部位的细胞动作电位都各不相同；在时程方面，心内膜与心外膜细胞的动作电位时程不同，中层的M细胞其动作电位时程与其它细胞也不相同。

心内膜细胞比心外膜细胞先去极化，复极化过程比心外膜细胞晚，这样心内膜细胞动作电位时程比心外膜细胞动作电位时程长，这也是心表电位图和体表电位图形成的一个关键。

已证实心室肌中层细胞（M细胞）的电生理特性尤其是其复极特性不同于心外膜和心内膜细胞[1]，[2]。

    为了使仿真更符合真实情况，本文构建了从心内膜到心外膜的不同动作电位时程的模型。

方法是首先对心室壁进行分层，之后对不同层的细胞赋予不同时程的动作电位方程。

为了对心室壁进行分层，本文首先检测出心内膜和心外膜，然后由心内膜和心外膜同时一层一层检测，把剩下的作为M层细胞。

在对心室壁分层的过程中发现在右心室游离壁由于室壁较薄，如按上述规则右室的很多地方心内层与心外层直接相连，很多地方就缺少了中间层（如图1a所示）。

为了分出中间层，在搜索过程中做了如下限制：

在搜索下层细胞时，如果搜索到的点与相对层细胞（心内层细胞与心外层细胞相对）的距离小于一定的阈值（本文取4），则舍弃这点作为下一层细胞。

这样在右室狭窄处出现了中间层，如图1b所示。

分层以后的其它细胞就是中间层。

    最后构建心内层与中间层、心外层与中间层的过渡带。

方法是首先找到心内层与中间层、心外层与中间层的交界面，再以这个面为起点分别往心内层或心外层方向搜索几层细胞并分别标记，以便在整合动作电位方程时使用不同的参数。

结果如图1c所示，在灰绿之间多了一个心内层与中间层的过渡带，在红绿之间多了一个心外层与中间层的过渡带。

    图1心室壁分层

    Fig.1  Layersoftheventricularwall

2  融合动作电位的心室三维模型的构建

    心室电活动仿真的条件越接近实际情况，仿真效果就越好，结果越具有说服力。

由于心电图反映的是整个心脏的电活动，这就要求从宏观到微观层面都尽量与真实情况接近，主要涉及3个方面：

心脏的几何结构对心室解剖结构的准确表现，包括心肌纤维走向问题；单个心肌细胞电活动的动作电位的精确描述；兴奋在细胞间（缝隙连接）的传递问题。

    由于心电活动中兴奋传递受心肌纤维走向的影响，顺纤维方向与和垂直纤维方向的传递速度是不同的。

这种心肌纤维走向在心电图的形成中的影响越来越受到人们的重视，许多模拟方法[3][4][5]都考虑了心肌纤维的走向，但都只是局部和定性的。

从专业资源库获得的只是数字心室信息，难以直观心肌纤维的三维结构，本文用VB6.0编程实现了带纤维走向的心室三维显示：

图2a～f分别为心室表面、心尖部（心肌纤维在心尖部发生了扭转）、心室中段截面（可看出左室心室壁的三层结构）、靠心底部截面、靠心尖部截面以及额面截面的心肌纤维走向。

图2中用颜色和线段表示心肌纤维的走向，红色信息反映心肌纤维左右走向程度，越淡越往左，反之越往右；绿色信息反映心肌纤维前后走向的程度，越淡越往前方向，反之越往后；蓝色值反映心肌纤维上下走向的程度，越淡表示越往下，反之则越往上。

    通过对心肌细胞空间结构和心肌纤维走向的描述来构建心室几何结构模型，以上是实现了心室几何结构模型的显示。

对于仿真来说，更重要的是用什么类型的数据结构来描述心室的几何结构模型，具体实现可用数组或链表表示。

如果采用链表法需专门编程实现对位置信息操作，相对耗时较多，而采用数组描述坐标就反映位置信息，程序运行效率高，因此本文选择用数组法。

    心室的几何结构是以点阵描述的，一个点代表几个心肌细胞，即心肌细胞单元。

心室包括心室肌细胞和Purkinje纤维细胞，Purkinje纤维细胞构成的是心室的传导系统，兴奋正是沿传导系统传导到Purkinje纤维细－心室肌细胞连接，通过连接传导到心室肌细胞，再在心室肌细胞之间进行传播。

心室传导系统在心室兴奋过程中起着很关键的作用。

本文基于Purkinje纤维的树状分布且具有自相拟的特点，根据分形思想，用分形算法实现了心室传导系统模型的构建。

    在几何模型的基础上对Purkinje纤维细胞和心室肌细胞赋予相应的动作电位方模型，这样每个心肌细胞单元就具有了各自的电活动特性。

Purkinje纤维细胞动作电位方程使用的是McAllister等建立的动作电位模型[6]（参数作了调整），心室肌细胞动作电位方程使用的是Luo和Rudy等建立的动作电位模型[7]，并通过改变模型中钾电导的值对不同层的心室肌细胞赋予了不同时程的动作电位模型。

结合兴奋的传播，不断对动作电位（AP）方程求解就可以得到不同时刻的心肌细胞单元的电活动状态，每个细胞单元的电活动要受到兴奋的传导系统传递和心肌细胞间传递的影响。

    图2  带纤维走向的心室的三维显示

    Fig.2  Three-dimensionaldisplayoftheventriclewithmusclefiberorientation

3  心室电活动仿真及等电位图

    心室电活动的过程实际上就是兴奋在心室中的传递过程，等电位图反映的正是心室兴奋的过程，又称兴奋的时序。

本文依据Durrer等时图进行调试。

为使心室电活动仿真能按设定过程进行，本文把心室兴奋的传递过程分为在Purkinje细胞间的传递和在心室肌细胞间的传递。

    本文编写了一个专门用于测试Purkinje纤维细胞的兴奋传递模拟程序，心室传导系统按投影显示在二维平面上，用不同的颜色表示细胞跨膜电位的大小。

图3是30ms兴奋在Purkinje纤维的传递图，兴奋首先传递到室间隔左室面的中下部和左室的前壁，接着到达左室后壁，然后兴奋开始扩布到右室，右室的前乳头肌处和室间隔靠后侧部分开始兴奋，最后到整个末稍，与Durrer描述的基本吻合。

    本文用C语言编写了整个心室的电活动的仿真程序。

仿真程序的主体结构主要是结合兴奋的传递、细胞间的缝隙连接，在重复的时间片内不断地对细胞动作电位进行求解，属于典型的并行计算。

任意细胞当前时刻与下一时刻的状态是通过过程参数联系起来的，这些参数主要包括描述细胞特性的参数与描述动作电位方程的参数，在计算时是作为全局变量处理。

    为了观察和研究的需要，每隔1ms就把心室所有细胞的膜电位数据保存成数据文件，同时，编写心室膜电位的三维显示程序来显示心室电活动的变化过程。

图4是仿真24ms的心室电活动情况，可以看出，兴奋传导到心室后，首先兴奋的是室间隔左室侧的中下段，几乎同时左室前壁和后壁也开始兴奋，室间隔左室侧中下段开始兴奋后很快向心尖部传递，心尖部兴奋，然后向左室游离壁扩散，出现这种情况可能与心肌纤维的走向密切相关。

大概18ms后右室开始兴奋，最后兴奋的是左室游离壁和右室游离壁的心底部。

    图5显示的是仿真过程中记录的心室不同位置的动作电位变化，由各点动作电位曲线可以看出，兴奋的传递表现出由心内膜向心外膜扩布的过程。

    图3  Purkinje的兴奋传递图

    Fig.3  ExcitationproPagationofPurkinjesystem

    a:

0ms;b:

5ms;c:

10ms;d:

15ms;e:

20ms;f:

25ms;g:

30ms;h:

thecontrastbetweenMemberPotentialandcolor

    图4  心室兴奋时序图

    Fig.4  TimesequenceofventricularexcitationproPagation

    图5  心室壁各层细胞的动作电位

    Fig.5  APoftheventricularcellsindifferentlayers

4  讨论

    通过对24ms的心室电活动的仿真测试，可以观察到兴奋在心室的传播过程。

兴奋传导到心室后，首先兴奋的是室间隔左室侧的中下段，几乎同时左室前壁和后壁也开始兴奋，室间隔左室侧中下段开始兴奋后很快向心尖部传递，心尖部兴奋，然后向左室游离壁扩散，出现这种情况可能与心肌纤维的走向密切相关。

大概18ms后右室开始兴奋，最后兴奋的是左室游离壁和右室游离壁的心底部。

这和Durrer记录的心室等时图基本相同，说明建模是比较成功的，具有仿真的意义，但与实际情况有一定差距，分析原因，可能需要增加一些各向异性参数，如对于室间隔可能和心室壁其兴奋传导的调整参数；心室壁的分层还需更细一些。

    在仿真程序的调试过程中，发现心室的电活动是一个高度各向异性的过程，各向异性包括多个方面：

心肌几何构形的各向异性；心肌动作电位的各向异性；传导系统的各向异性；兴奋传导的各向异性；缝隙连接传导的各向异性。

    Purkinje细胞是自律性细胞，当有来自窦房结的节律兴奋传过来时，Purkinje细胞就按窦房结的节律兴奋；在没有刺激的情况下，Purkinje细胞就能产生动作电位。

构建Purkinje细胞动作电位模型时，开始时就是处在一个去极化的时段，外来刺激对Purkinje细胞的影响很小，此后rkinje已按自已固有的频率进行活动，很难出现设定的Purkinje细胞的传递速度，在这种情况下，兴奋传递过程没有按本文设想的时序进行。

为解决这一问题，首先把Purkinje细胞的状态调整到复极化刚到静息状态时的0期状态，按数学模型计算，Purkinje细胞有很长的一段4期时间，有充足的时间等待刺激的到来，从而按刺激的频率产生动作电位。

    后续工作需要机群的并行运算环境。

本文的仿真十分耗时，要模拟1s的心室电活动，在P4（2.8G）的计算机上运行仿真程序需要约500h的时间，对于仿真调试的难度很大，特别是当需要建立躯干模型，计算体表心电图，或是仿真一些病理状态的心电活动时，单机的运算就显得力不从心，这样急需建立一个并行的机群运算环境。

    参考文献：

    [1]SicouriS,AntzelevitchC.Asubpopulationofcellswithuniqueelectrophysiologicalpropertiesinthedeepsubepicardiumofthecanineventricle:

theMcell[J].  CircRes,1991,68:

17-29.

    [2]AnyukhovskyEP,SosunovEA,RosenMR.Regionaldifferencesinelectro-physiologicalpropertiesofepicardium,midmyocardium,andendocardium:

invitroandinvivocorrelation[J].Circulation,1996,94:

1981-7.

    [3]LorangeM,GulrajaniRM.AcomputerheartmodelincorporatinganisotropicproPagation.Modelconstructionandsimulationofnormalactivation[J].JElectrocardiol,1993,26:

245-9.

    [4]PollardAE,BurgessMJ,SpitzerKW.Computersimulationsofthree-dimensionalproPagationinventricularmyocardium:

Effectsofintramuralfiberrotationandinhomogeneousconductivityonepicardialactivation[J].CircRes,1993,72:

744-56.

    [5]BerenfeldO,JalifeJ.Purkinje-musclereentryasamechanismofpolymorphicventriculararrhythmiasina3-dimensionalmodeloftheventricles[J].  CircRes,1998,82:

1063-77.

    [6]McAllisterRE,NobleD,TsienRW.ReconstructionoftheelectricalactivityofcardiacPurkinjefibres[J].JPhysiol（Lond）,1975,251:

1-59.

    [7]LuoCH,RudyY.Amodeloftheventricularcardiacactionpotential:

Depolarization,repolarization,andtheirinteraction[J].CircRes,1991,68:

1501-26.