[發明專利]一種人體心室肌組織的心力衰竭模型的設計方法

有效

• 申請號: 201710317654.0
• 申請日: 2017-05-10
• 公開（公告）號: CN107273655B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 張方方;劉海龍;周維帥;張昕
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種人體心室肌組織的心力衰竭模型的設計方法，其特征在于，步驟如下：

第一步，確定細胞刺激方案

給人體心室肌組織的單個細胞施加連續的n個刺激，前n-1個刺激每兩個刺激的時間間隔不斷的縮小，時間間隔為280～1000ms，最后一個刺激與前一個刺激的時間間隔為800～1000ms；刺激強度為-38～52μA/cm²，持續時間為1～2ms，刺激頻率為1～2Hz；

第二步，建立細胞電生理模型

從數學角度分析TP06細胞模型，TP06細胞模型即為多個非線性方程，非線性方程的數目即為TP06細胞模型中定義的變量個數；非線性方程具體形式如下：

式中：τ是時間常數，即p從峰值降低到67％所需要的時間；p代表不同的門控變量，假設p有“開”、“關”兩種狀態，門從關到開和從開到關的速率分別為α和β，不同p的狀態改變實現各離子電流，并引起膜電壓V的一系列變化，即動作電位，t是計算機仿真時間；設定時間步長為0.02ms～0.05ms；

第三步，建立細胞的ECC模型

細胞力學模型中的NHS08力學模型的計算方程如下：

T_ind＝T_ref(z/z_max)

T0＝T_inda

式中，T_ind表示肌小節的長度和速度不相關張力；T0表示肌小節的等長條件下對Ca²⁺存在依賴性的張力，z是可利用的肌動蛋白TnC位點分數，z_max是在給定肌小節長度下，可利用的肌動蛋白位點的最大的分數，a是肌小節長度和速度的尺度函數；

使用強耦合方法實現細胞電生理模型和NHS08力學模型耦聯，形成ECC模型，即在相同的時間條件下，求解TP06細胞模型和NHS08力學模型中的非線性方程；使用一階前向Euler算法求解ECC模型中所有非線性方程，時間步長為0.02～0.05ms；為了獲得穩定的ECC模型，以1～2Hz的頻率仿真多個電生理過程后，再記錄細胞電生理模型和NHS08力學模型的人類心室肌細胞的電-力特性；

第四步，建立人類心室肌細胞的心衰模型

首先，將具有超慢失活和再激活特性的人類心室肌細胞的L-型鈉電流I_NaL加入到ECC模型中，用I_NaL＝G_NaLm³h(V-E_NaL)計算，使ECC模型真實再現出人類心室肌細胞的鈉電流的動態跨膜過程，式中m,h表示鈉通道的激活、快速失活，G_NaL表示L-型鈉通道電導，E_NaL表示L-型鈉通道的平衡電勢；然后對ECC模型的部分參數進行調整，如下表

第五步，建立人類心室肌組織的心衰模型

首先，將細胞之間興奮的傳導過程加入到ECC模型中，興奮在二維心室肌組織中傳導使用擴散方程描述：

式中：是空間梯度算子，x和y為組織的空間坐標，仿真中分別通過水平方向和豎直方向的二階差商來表示，項反映了興奮膜電位在心室肌組織中的擴散傳導過程，V是膜電壓，C_m為單位細胞膜面積上的等效電容，D是擴散系數，即用來模擬閏盤電阻的作用；I_ion是單位細胞膜面積上受到離子濃度、膜電位和門控變量制約的總的細胞膜電流密度；I_st是單位細胞膜面積上的刺激電流強度；從數值計算的角度分析對擴散方程做近似，如下：

式中：Δx和Δy稱為空間步長，且可調；

然后，采用無通量邊界條件對二維心室肌組織進行邊界處理，方程如下：

式中：x和y是組織的空間坐標，x_min和x_max分別表示x坐標的最小值和最大值，y_min和y_max分別表示y坐標的最小值和最大值，方程的求解過程如下：

沿x軸和y軸方向計算位于心室肌組織片邊界處第n個細胞的膜電壓，其中：沿x軸的變量為j，沿y軸的變量為i，兼顧計算精度和效率，細胞n位于組織邊界上四個頂點時，計算公式如下：

細胞n位于左右邊界時，即沿y軸方向變化，計算公式如下：

同理，細胞n位于上下邊界時，即沿x軸方向變化，計算公式為：

最后實現多個細胞組成的正方形二維心室肌細胞組織塊。