[發(fā)明專利]一種心臟細(xì)胞模型動作電位模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010941601.8
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112216392B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳醒基;羅錦興
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50;G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司 44202
• 代理人: 郭浩輝;麥小嬋

本發(fā)明公開了一種心臟細(xì)胞模型動作電位模擬方法，主要闡述了一種新的廣義“特羅特”算子分裂法實施方案，解決現(xiàn)有技術(shù)中由于鈉離子通道的馬爾科夫鏈(Markovchain，MC)模型是一組剛性的常微分方程組，因其存在剛性，在大時間步長下，均一化算法的加速性能仍然較低，混合算子分裂算法的誤差仍然較大以及存在幾個局限問題。本發(fā)明廣義“特羅特”算子分裂法同時解決臨床應(yīng)用中權(quán)衡心臟細(xì)胞模型數(shù)值模擬的穩(wěn)定性、加速性和誤差三個要素的問題；替代了固定時間步長的均一化、混合算子分裂算法求解器，該方法獨立于特定離子通道模型的漸近性質(zhì)，能在較大的固定時間步長下，保持穩(wěn)定的數(shù)值模擬結(jié)果，符合臨床精度要求，加快計算速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及模型動作電位模擬領(lǐng)域，尤其涉及一種心臟細(xì)胞模型動作電位模擬方法。

背景技術(shù)

《中國心血管病報告2018年》顯示心血管病患者人數(shù)多達(dá)近3億，其中包括心力衰竭450萬例、先天性心臟病200萬例；此類與心肌細(xì)胞相關(guān)的疾病一般可通過心臟細(xì)胞模型來分析其病變機理或進行藥物研發(fā)。心臟細(xì)胞模型主要用于模擬心臟細(xì)胞的動作電位以及離子通道的電活動行為，它能夠揭示心臟細(xì)胞的正常或異常的電生理活動。長期以來，它被廣泛應(yīng)用于模擬心臟電生理以及研發(fā)抗心律失常藥物。由于心臟電生理模型復(fù)雜、參數(shù)繁多、細(xì)胞數(shù)量龐大等因素，使得全心臟電生理仿真遇到了計算瓶頸，因此，心臟電生理模擬仿真的效率與心臟細(xì)胞數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度、算法密切相關(guān)。而心臟細(xì)胞的數(shù)學(xué)模型主要是由常微分方程和偏微分方程構(gòu)成，可以從這兩個方面的算法求解來提高心臟電生理模擬仿真的效率，從而改善其計算精度和速度。加入多狀態(tài)的馬爾科夫鏈模型(Markovchainmodel，MC模型)使得心臟細(xì)胞模型的離子通道模型的功能更強，能廣泛應(yīng)用于心臟電生理和藥物篩選研究。例如，包含9個狀態(tài)變量的鈉離子通道MC模型(WT-9模型)如圖1所示，將WT-9模型嵌入到動態(tài)的Luo-Rudy心室細(xì)胞模型中替代原有的鈉(Na+)離子模型。WT-9模型中每個狀態(tài)變量是由與通道總數(shù)有關(guān)的通道比例表示的，稱之為狀態(tài)占有率(Stateoccupancy)。這9個狀態(tài)變量分別為一種傳導(dǎo)打開狀態(tài)(Conductingopen state(O)),三種關(guān)閉狀態(tài)(Closedstates(C₁,C₂,C₃)),兩種關(guān)閉失活狀態(tài)(Closed-inactivationstates(IC₃,IC₂)),一種快速失活狀態(tài)(Fastinactivationstate(IF))以及兩種中間態(tài)失活狀態(tài)(Intermediateinactivationstates(IM₁,IM₂))。根據(jù)微觀可逆性原理，連續(xù)時間內(nèi)每一個狀態(tài)占有率的變化均等于其他轉(zhuǎn)移狀態(tài)的凈流量，一般使用一個含時的常微分方程表示每個狀態(tài)變化的方程。因此，含9態(tài)的MC模型是有9個含時的常微分方程組成的線性系統(tǒng)，如下所示，

其模型寫成向量形式如下，

其中，矩陣A(V)是一個9行9列的含電壓的轉(zhuǎn)移速度矩陣，這些含電壓的轉(zhuǎn)移速度分別為(α₁₁,α₁₂,α₁₃,α₂,α₃,α₄,α₅,β₁₁,β₁₂,β₁₃,β₂,β₃,β₄,β₅)。令表示9行9列的實數(shù)矩陣集合，則A(V)屬于矩陣集合向量是一個包含9個狀態(tài)變量的列向量，如[O,C₁,C₂,C₃,IC₃,IC₂,IF,IM₁,IM₂]^T。

因此，鈉離子通道電流正比于傳導(dǎo)打開狀態(tài)，其公式表示為如下，