心肌组织中电传导过程的仿真研究

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心脏病与癌症、糖尿病同为严重威胁现代人类健康的三大疾病。而心脑血管疾病是三种疾病中的最大杀手。有数据表明,每年由心脏病引起的死亡人数几乎接近同年各类传染病造成的死亡人数,接近总死亡人数的三分之一。心脏病正严重威胁着人类健康。因此,对心脏病的生理病理研究对人类的健康生活与发展具有重大意义。心脏作为人体最重要的器官之一,对其进行研究所需要的实验材料及实验环境不能够大批量的得到。为了更好地诊断和治疗各类心脏疾病,更安全地研发治疗心脏病的药物,人们一直尝试利用计算机来模拟人类心脏的活动。虚拟心脏是当前国际研究与合作的热点课题,具有十分重要的学术价值和社会价值。它可以仿真活体心脏的活动,能够进行无创预诊,还有助于心脏病的治疗药物的研制。本研究将重心放在虚拟心脏的电生理模型部分,专注于心肌组织中电传导过程的仿真研究。本文将心肌组织中的电传导过程的仿真研究分为以下几个部分:首先是对单个心肌细胞的动作电位产生原理进行研究,在获得了描述单个心肌细胞的电生理过程模型后,对心肌细胞之间电兴奋信号传播的过程进行研究。然后利用扩散张量,描述出了细胞之间耦合的电兴奋传导过程。之后,对描述心肌细胞之间电传导安全性的安全系数进行了原理分析,并实现了以细胞间电传导模拟结果为基础,对安全系数的计算。最后,利用心肌细胞之间电传导的模拟结果计算获得了体表测定得到的心电图的心室成分。在研究了原理及算法后,本文利用VTK与MFC混合编程,设计并实现了心肌细胞间电传导仿真子系统。该仿真系统能够仿真一列心肌细胞的动作电位及动作电位在细胞间的传导过程,计算这些细胞形成的伪心电图,并且还能够将仿真得到的结果绘制输出。同时,能够后台计算该细胞队列的传导安全系数。在对系统功能进行测试后,本研究利用搭建成功的系统对左心室肥大症状进行了探索性仿真,获得的结果符合临床诊断标准。证明该系统可以成功进行基于心肌细胞离子通道的对心肌组织内电传导的仿真。最后,本文对心肌组织中电传导仿真的后续工作进行了展望,分别从病理研究、药物研究、医疗教学以及进一步的虚拟建模几个方面进行了合理的展望。
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