虛擬心臟解剖及電生理數(shù)學(xué)建模.pdf

1、虛擬心臟建模仿真工作是對心臟結(jié)構(gòu)和功能的模擬，集電生理學(xué)、動力學(xué)、血液流體力學(xué)以及神經(jīng)、生化控制于一身的極其復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，是一項難度和復(fù)雜度極高的技術(shù)工作。目前，心臟生理病理學(xué)家大多從細胞、基因、蛋白、分子等微觀層次來研究心臟機理，實驗反映出來的大多是單細胞或局部的特性，不能很好地闡明從微觀病理變化如何演變成整體心臟的異常，而臨床心臟學(xué)家則更多地關(guān)注整體心臟的宏觀綜合表現(xiàn)特征，對病癥微觀起源較少深究，對于病因復(fù)雜的心臟病診治很大程度上

2、依靠經(jīng)驗決斷。連接心臟微觀宏觀研究的有效手段之一就是虛擬心臟模型，基于虛擬心臟模型我們可以非常方便地研究心肌微觀生理病理變化是如何發(fā)展成整體心臟的宏觀變化，而且是定量的，從而有助于提高心臟病的診治水平和創(chuàng)新藥物的開發(fā)。近些年生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域和其它學(xué)科快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新方法、新理論，將這些成果引入心臟建模領(lǐng)域，會幫助我們建立更為復(fù)雜和完善的虛擬心臟模型，深入認識心血管系統(tǒng)的運動規(guī)律和本質(zhì)，從而朝著建立復(fù)合虛擬心臟仿真模型的最終目標深入

3、下去，推動虛擬心臟建模正逆問題研究的進一步發(fā)展。 本文以虛擬心臟解剖結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)建模和虛擬心臟電生理數(shù)學(xué)建模為研究方向，在原有浙江大學(xué)第一代LFX虛擬心臟模型基礎(chǔ)之上，綜合應(yīng)用虛擬人技術(shù)、圖像處理、信號處理、并行計算、三維科學(xué)可視化等技術(shù)手段，嘗試求解虛擬心臟建模中關(guān)鍵的生物計算問題，建立了代表國際先進水平的Cardiome-CN虛擬心臟電生理數(shù)學(xué)模型。在若干性能指標上領(lǐng)先于國際同類模型，對推動Cardiome計劃相關(guān)技術(shù)的向前發(fā)展

4、具有重要影響力。其中基于細胞離子通道和雙域模型方程的超大計算量心肌興奮傳播并行算法的實現(xiàn)，對其它大型生物計算技術(shù)的發(fā)展也具有一定的借鑒作用。 本文主要工作和研究成果包括： (1)基于醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)、生理標本數(shù)據(jù)、虛擬人數(shù)據(jù)建立了虛擬心臟解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，包含兔子、犬、人體等心臟解剖模型樣本。其中以人體心臟模型為例，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間分辨率為0.33mm，包含了完整的心房、心室結(jié)構(gòu)。對心室壁分層、心肌纖維旋向設(shè)定、傳導(dǎo)通路設(shè)定、組織

5、功能分類定義等虛擬心臟解剖結(jié)構(gòu)建模的關(guān)鍵問題進行了研究，并給出了解決方案。針對各模型建立了相應(yīng)的計算、可視化網(wǎng)格。這是國際上目前結(jié)構(gòu)完整、精度高，且包含完整心肌纖維旋向和電傳導(dǎo)通路信息的人體心臟解剖結(jié)構(gòu)模型之一。 (2)基于心肌細胞離子通道水平的實驗數(shù)據(jù)，開創(chuàng)性的建立了國內(nèi)首個犬、人體心肌細胞動作電位模型庫。其中包含了起搏細胞、心房肌細胞、心室肌細胞等多樣性、特異性的模型定義。模型還包含了完整的鈣循環(huán)以及興奮收縮耦聯(lián)機制。針對細

6、胞模型的計算和分析方法進行了深入研究，首次提出了使用非標準有限差分方法(NSFD)和DVODE算子來加速細胞模型的運算速度?？偨Y(jié)擴展了心肌細胞模型靜態(tài)和動態(tài)的分析方法，豐富了模型研究的手段。并應(yīng)用細胞模型針對心力衰竭、短QT綜合癥、Brugada綜合癥等相關(guān)疾病進行了初步的探索研究。 (3)基于MPI和OPENMP并行計算協(xié)議庫，設(shè)計并實現(xiàn)了基于雙域模型模擬的各向異性的心肌興奮傳播并行算法，實現(xiàn)了離子通道細胞模型和雙域模型興奮擴

7、散方程的耦合，建立了從一維結(jié)構(gòu)模型到三維解剖模型的各種層次的傳導(dǎo)模型，仿真了正常心臟組織的興奮傳導(dǎo)時序，并對折返性心律失常的興奮傳導(dǎo)機制進行了模型研究。其中并行擴散算法屬國際先進水平，國內(nèi)虛擬器官建模領(lǐng)域還沒有類似的研究工作。 (4)構(gòu)建了基于真實人體心臟解剖生理結(jié)構(gòu)，具有仿真心肌缺血、多種心律失常、基因變異類離子通道疾病等功能的達到國際領(lǐng)先和先進水平的Cardiome-CN虛擬人體心臟模型。 (5)基于美國虛擬人斷層數(shù)

8、據(jù)，構(gòu)建了真實完整的男性和女性人體軀干結(jié)構(gòu)模型。使用Cardiome-CN虛擬心臟模型，模擬了心電場分布，計算了體表電位、心電圖和心電向量圖。 未來虛擬心臟模型具有很大的應(yīng)用潛力，不僅僅在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，還可以為臨床服務(wù)，包括介入治療，為病人定制個體化的心臟信息數(shù)據(jù)庫等等。特別是對于臨床需求迫切的房顫、室顫等心律失常疾病的診斷和導(dǎo)管介入消融治療技術(shù)的提升具有直接的應(yīng)用價值。雖然目前還無法針對個體案例進行實時重建，但隨著計算能力的提