基於真實人體解剖數據的ecg仿真方法
2023-05-11 23:54:51 1
專利名稱：基於真實人體解剖數據的ecg仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種心電圖仿真方法。
背景技術：
心臟是人體的重要器官，心臟病更是嚴重威脅人類健康的四大疾病之一。根據中華人民共和國衛生部最新統計，2008年我國城市居民心臟病的死亡率已由2007年的第三位(僅次於惡性腫瘤和腦血管病)上升至第二位(僅次於惡性腫瘤)，而且仍保持上升趨勢。因此深入研究心臟搏動機理，了解心臟的解剖結構，電生理和力學特性，對於心臟疾病的預防和治療有及其重要的意義。心臟病學已成為現代醫學中最重要的研究領域之一。
心臟是個複雜的系統，長期以來，對心臟解剖結構，生理功能等各個方面的研究都需要藉助於動物或人體實驗的方法，但是這些方法不僅周期長、代價高、危險性大，往往難以得到令人滿意的結果。而且實驗多是基於動物體的，由於人體的心臟和其他哺乳動物的相比有很多差異，包括心臟大小，心率，動作電位的形狀、時程等，因此動物實驗得到的結果也不能直接推廣到人體。
隨著計算機運算和存儲能力的快速提高以及複雜心臟活動數據積累的日益完善，綜合使用計算生理學、數學建模技術和虛擬實境技術對人體心臟進行建模和仿真實驗已經逐漸得到了國內外學術界的認可，並已成為現代心臟病學科的重要發展方向之一。虛擬心臟的研究旨在將心臟從細胞到組織的各層次結構、各種複雜生理/病理過程(如電生理信號傳導、手術及藥物作用)等行為利用計算機進行仿真模擬，並通過人機互動的方式來實現各種建模和仿真實驗。近半個世紀以來，心臟病已成為威脅人類健康最嚴重的疾病之一。臨床研究表明心肌缺血是致命性心律失常的重要誘因，它使得心臟組織傳導阻塞，從而引發室速或室顫，而室速和室顫是導致心臟猝死的最主要的因素。因此，研究心肌缺血情況下心臟電生理特性對揭示心律失常的發生機制具有重要意義。
發明內容
本發明為了解決現有技術無法定量的確定心臟電生理特性，提供一種基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法。
基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，具體過程如下 基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，其特徵在於具體過程如下 步驟A、使用TNNP心室肌細胞模型，利用真實人體心臟解剖數據，建立心室電生理模型； 所述TNNP心室肌細胞模型表述如下 其中，Vm表示膜電位，t表示時間，Cm表示膜電容，D表示擴散係數，▽表示梯度算子，Iion表示跨膜離子流總和，Istim表示所施加的刺激電流； INa表示鈉離子電流，IK1表示內向整流鉀電流，Ito表示外向瞬時電流，IKr表示快激活延遲整流鉀電流，IKs表示慢激活延遲整流鉀電流，ICaL表示L型鈣離子電流，INaCa表示鈉鈣交換電流，INaK表示鈉鉀泵電流，IpCa表示平臺鈣電流，IpK表示平臺鉀電流，IbCa表示背景鈣電流，IbNa表示背景鈉電流； 步驟B、對步驟A建立的心室電生理模型進行求解，求解出膜電位Vm； 步驟C、根據步驟B獲得的膜電位Vm，獲得時間t介質中所有的點相對於源極點的跨膜電壓的密度ρ 其中V是整個心室的體積或者是心室組織切片的面積，
是組織切片的中點到記錄電極的向量，D是擴散係數，r為組織切片的中點到記錄電極的距離；然後，以時間t為橫軸，以介質中所有的點相對於源極點的跨膜電壓的密度ρ為縱軸，繪製獲得ECG曲線。
本發明的創新點在於，基於TNNP心室肌細胞模型，使用真實人體心臟解剖數據，建立心室電生理模型，引入輔助域求解膜電位Vm，並對心電圖進行仿真。
圖1為左心室心內膜缺血的效果圖。圖2為左心室心內膜小面積缺血情況的心電圖仿真圖。圖3為左心室心內膜嚴重缺血情況的心電圖仿真圖。圖4為左心室心外膜缺血的效果圖。圖5為左心室心外膜小面積缺血情況的心電圖仿真圖。圖6為左心室心外膜嚴重缺血情況的心電圖仿真圖。圖7為左心室透壁缺血的效果圖。圖8為左心室透壁小面積缺血情況的心電圖仿真圖。圖9為左心室透壁嚴重缺血情況的心電圖仿真圖。圖10為基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法流程圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖10說明本實施方式，基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，具體過程如下 基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，其特徵在於具體過程如下 步驟A、使用TNNP心室肌細胞模型，利用真實人體心臟解剖數據，建立心室電生理模型； 所述TNNP心室肌細胞模型表述如下 其中，Vm表示膜電位，t表示時間，Cm表示膜電容，D表示擴散係數，▽表示梯度算子，Iion表示跨膜離子流總和，Istim表示所施加的刺激電流； INa表示鈉離子電流，IKI表示內向整流鉀電流，Ito表示外向瞬時電流，IKr表示快激活延遲整流鉀電流，IKs表示慢激活延遲整流鉀電流，ICaL表示L型鈣離子電流，INaCa表示鈉鈣交換電流，INaK表示鈉鉀泵電流，IpCa表示平臺鈣電流，IpK表示平臺鉀電流，IbCa表示背景鈣電流，IbNa表示背景鈉電流； 步驟B、對步驟A建立的心室電生理模型進行求解，求解出膜電位Vm； 步驟C、根據步驟B獲得的膜電位Vm，獲得時間t介質中所有的點相對於源極點的跨膜電壓的密度ρ 其中V是整個心室的體積或者是心室組織切片的面積，
是組織切片的中點到記錄電極的向量，D是擴散係數，r為組織切片的中點到記錄電極的距離；然後，以時間t為橫軸，以介質中所有的點相對於源極點的跨膜電壓的密度ρ為縱軸，繪製獲得ECG曲線。
ECG是electrocardiogram的縮寫，表示心電圖。
TNNP心室肌細胞模型是Tusscher等人於2004年提出的人類心室肌細胞模型，該模型基於新的實驗數據，包括了所有主要的離子電流，在電生理特性和仿真性能上更接近人體的真實情況，因而更適用於複雜的心室組織電生理活動的仿真研究。TNNP心室肌細胞模型，在真實的人類心臟組織數據上，建立心肌缺血的病理狀態模型，定量研究缺血對ECG的影響，探討心肌缺血下導致心律失常的機制。對於精細的人體解剖心室組織來說，由於其幾何形狀上的複雜性，這就需要一個高效的方法來處理邊界條件。這裡，我們使用相場法來避免計算複雜的邊界條件。相場法是以金茲堡-朗道相變理論為基礎，引入新變量-相場φ而得名，這種方法使用統一的控制方程，用相場跟蹤系統中的相來自動處理邊界條件，這樣在整個求解域中採用相同的數值計算方法，在保持模擬結果精度的同時大大降低了計算複雜度。
具體實施方式
二、本實施方式是對具體實施方式
一中的步驟A的進一步說明，步驟A中真實人體心臟解剖數據為「可視人計劃」解剖結構數據集。
美國「可視人計劃」(Visible Human Project)解剖結構數據集，提取了女性切片數據中的左心室三維數據，沿Z軸方向分層後選擇信息量較多的一片左心室組織。由於心室肌細胞間的電不均一性，按照解剖學比例特徵，我們沿心肌方向從內到外將心室壁分為五層心內膜層、內過渡層、中間層、外過渡層、心外膜層。
具體實施方式
三、本實施方式是對具體實施方式
一或二中的步驟A的進一步說明，心肌缺血的情況下，心室發生如下6種生理和病理的變化局部缺氧，ATP水平下降，細胞內外環境酸化，細胞外鉀離子濃度增高，細胞內鈉離子和鈣離子濃度增加，細胞外鈉離子濃度降低；所述6種生理和病理的變化歸納為ATP敏感性鉀電流IK(ATP)激活造成，步驟A建立的心室電生理模型為 其中，ATP敏感性鉀電流IK(ATP)，如下公式所示 其中，g0是離子通道最大電導，[K+]o是細胞外鉀離子濃度，fM、fN、fT是校正係數，fMfNfT三者乘積取值範圍為0～0.01，fATP是開放的離子通道比，EK是離子通道反轉電位，fATP如下公式所示 其中，H＝1.3+0.74βexp(-0.09[ADP]i)，其中，[ATP]i為細胞內ATP濃度，[ADP]i為細胞內ADP濃度，不同細胞類型，g0、α和β的取值見下表 另外，內過渡層和外過渡層相應參數取相鄰兩層均值。
具體實施方式
四、本實施方式是對具體實施方式
一中的步驟B的進一步說明，步驟B的具體過程為 引入輔助域φ來區分心室組織的內外界，其中φ＝0表示在心室外部，φ＝1表示在心室內部，通過求解公式二來確定φ值 公式二 其中，ξ是控制界面寬度的參數，ξ趨於0，G(φ)是任意滿足在φ＝0和φ＝1有最小值的雙阱函數； 將步驟A建立的心室電生理模型修改為 公式三 使用前向歐拉法求解公式三，求解出膜電位Vm。
具體實施方式
五、本實施方式是對具體實施方式
一中的步驟B中「G(φ)是任意滿足在φ＝0和φ＝1有最小值的雙阱函數」進一步說明，G(φ)為 具體實施方式
六、本實施方式與具體實施方式
四的不同之處在於前向歐拉法求解公式三時，取時間步長Δt取值範圍在0.015～0.02ms之間。
空間步長Δx和Δy大小一般為真實人體心臟解剖數據的解析度，例如具體實施方式
二中採用美國「可視人計劃」解剖結構數據集，其解析度為0.33mm，Δx＝Δy＝0.33mm，如果所用數據不同，空間步長也會不同，因數據而異，空間步長越小精度越高。
ξ控制界面寬度的參數一般取空間步長大小即可。
具體實施方式
七、本實施方式是利用本發明的方法仿真局部缺血嚴重程度不同和局部缺血面積不同兩種缺血情況下的心電圖，對應參數分別設置如下 輕度缺血情況下，在缺血區域內，設置[K+]o值為7.5mM，細胞內ATP濃度為5mM，細胞內ADP濃度[ADP]i為100mM；內向Na+電流和L-型Ca電流都乘以係數0.95，用以初始化酸液環境。
嚴重缺血情況下，在缺血區域內，設置[K+]o值為11.0mM，細胞內ATP濃度為5mM，細胞內ADP濃度[ADP]i為100mM；內向Na+電流和L-型Ca電流都乘以係數0.80，用以初始化酸液環境。
而正常情況下，[K+]o值為5.4mM，細胞內ATP濃度[ATP]i為6.8mM，細胞內ADP濃度[ADP]i為15mM。
這裡，由於心內膜細胞的動作電位持續時間太短，導致T波倒置，為了延長其動作電位時程，故把IKs通道電導率GKs調整為0.149nS/pF。
從心室不同部位缺血嚴重程度和缺血面積上探討局部心肌缺血情況下心臟的電生理活動。
圖1為左心室心內膜缺血的效果圖，其中區域1為缺血區域，區域2為健康區域，之間的連接區域3為過渡區。心電圖的變化與缺血嚴重程度和缺血面積都有一定關係，圖2和圖3分別為左心室心內膜缺血面積相同缺血嚴重程度不同和缺血嚴重程度相同缺血面積不同情況下ECG的仿真。圖2中曲線11表示嚴重缺血的ECG曲線，曲線12表示輕度缺血的ECG曲線，曲線13表示正常情況的ECG曲線。圖3中曲線21表示大面積缺血的ECG曲線，曲線22表示小面積缺血的ECG曲線，曲線23表示正常情況的ECG曲線。
由圖2和圖3可以觀察到，心內膜細胞的動作電位時程由於缺血而縮短，則跨膜電位梯度便不能形成，T波低平，當其小於心外膜細胞的動作電位時程時，便產生相反的跨膜電位梯度，產生倒立的T波。心電圖的變化還與缺血面積有關，在缺血面積相同的情況下，缺血程度越大，T波的下降的幅度越大；在缺血程度相同的情況下，缺血面積越大，T波下降的幅度也越大。在圖2中，由於缺血面積較小，心內膜缺血細胞復極後又產生了正立的T波。
圖4為左心室心外膜缺血的效果圖。其中區域4為缺血區域，區域6為健康區域，之間的連接區域5為過渡區。圖5和圖6為左心室心外膜缺血情況下ECG仿真。圖5中曲線31表示嚴重缺血的ECG曲線，曲線32表示輕度缺血的ECG曲線，曲線33表示正常情況的ECG曲線。圖6中曲線41表示大面積缺血的ECG曲線，曲線42表示小面積缺血的ECG曲線，曲線43表示正常情況的ECG曲線。
可以觀察到，心電圖表現為ST段上升和T波抬高。這是因為心外膜缺血使心外膜細胞動作電位時程相比心內膜細胞的動作電位時程進一步縮短，使得跨壁電位梯度提前出現且落差增大，故ST段抬高，T波更加高聳。缺血程度越嚴重，缺血細胞動作電位時程越短，ST段上升的越早越高。心外膜心肌缺血心電圖變化的程度同樣與缺血的面積有關，這裡就不再詳述。
心內膜缺血進一步發展可形成透壁性缺血，圖7為左心室透壁缺血的效果圖。其中區域7為缺血區域，區域9為健康區域，之間的連接區域8為過渡區。圖8為心室透壁缺血情況下ECG仿真，圖9為心室透壁嚴重缺血症狀時，不同缺血面積情況下的ECG仿真。圖8中曲線51表示嚴重缺血的ECG曲線，曲線52表示輕度缺血的ECG曲線，曲線53表示正常情況的ECG曲線。圖9中曲線61表示大面積缺血的ECG曲線，曲線62表示小面積缺血的ECG曲線，曲線63表示正常情況的ECG曲線。
由圖8可以觀察到，缺血面積相同，小面積缺血情況下，缺血細胞的動作電位時程縮短的很小，缺血細胞先復極，但正常細胞隨後也進行復極，第一個T波還未形成時，第二個T波也已經產生，兩個T波基本重合在一起，只是比正常心電圖提前形成T波；嚴重缺血情況下，缺血細胞的動作電位時程縮短的較大，第一個T波形成時間更靠前，且呈雙T波現象。缺血區域整個室壁細胞的動作電位時程都成比例的縮短，所以這一區域的跨膜電位梯度提前到來，但方向仍正常。
由圖9可以觀察到，在透壁嚴重缺血症狀下，當缺血面積較大時，缺血細胞數量較多，對跨膜電位梯度貢獻較大，形成雙T波形態，即缺血細胞先進行復極，產生正常的跨膜電位梯度，形成第一個T波，隨後正常細胞進行復極，產生跨膜電位梯度，產生第二個T波；當缺血面積較小時，缺血細胞的數量較少，對跨膜電位梯度貢獻較小，不能提前產生T波，對心電圖影響較小。
本專利對人體心室心肌缺血症狀進行了定量研究，得出的結果與實驗結論吻合，通過實驗所建立的模型不但可以用來仿真心肌缺血症，還可以用來研究其他心肌微觀生理病理上難以用實驗解釋的疾病病因，作為虛擬心臟的「基石」，為研究心臟疾病的並發機理提供了一個有力的輔助手段。
權利要求
1.基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，其特徵在於具體過程如下
步驟A、使用TNNP心室肌細胞模型，利用真實人體心臟解剖數據，建立心室電生理模型；
所述TNNP心室肌細胞模型表述如下
其中，Vm表示膜電位，t表示時間，Cm表示膜電容，D表示擴散係數，▽表示梯度算子，Iion表示跨膜離子流總和，Istim表示所施加的刺激電流；
INa表示鈉離子電流，IK1表示內向整流鉀電流，Ito表示外向瞬時電流，IKr表示快激活延遲整流鉀電流，IKs表示慢激活延遲整流鉀電流，ICaL表示L型鈣離子電流，INaCa表示鈉鈣交換電流，INaK表示鈉鉀泵電流，IpCa表示平臺鈣電流，IpK表示平臺鉀電流，IbCa表示背景鈣電流，IbNa表示背景鈉電流；
步驟B、對步驟A建立的心室電生理模型進行求解，求解出膜電位Vm；
步驟C、根據步驟B獲得的膜電位Vm，獲得時間t介質中所有的點相對於源極點的跨膜電壓的密度ρ
其中V是整個心室的體積或者是心室組織切片的面積，
是組織切片的中點到記錄電極的向量，D是擴散係數，r為組織切片的中點到記錄電極的距離；然後，以時間t為橫軸，以介質中所有的點相對於源極點的跨膜電壓的密度ρ為縱軸，繪製獲得ECG曲線。
2.根據權利要求1所述的基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，其特徵在於步驟A中真實人體心臟解剖數據為「可視人計劃」解剖結構數據集。
3.根據權利要求1所述的基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，其特徵在於步驟A所建立的心室電生理模型中還包括ATP敏感性鉀電流IK(ATP)，此時的心室電生理模型為
其中，ATP敏感性鉀電流IK(ATP)為
其中，g0是離子通道最大電導，[K+]o是細胞外鉀離子濃度，fM、fN、fT是校正係數，fMfNfT三者乘積取值範圍為0～0.01，fATP是開放的離子通道比，EK是離子通道反轉電位，fATP如下公式所示
其中，H＝1.3+0.74βexp(-0.09[ADP]i)，其中，[ATP]i為細胞內ATP濃度，[ADP]i為細胞內ADP濃度，不同細胞類型，g0、α和β的取值見下表
4.根據權利要求1所述的基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，其特徵在於步驟B的具體過程為
根據公式二
確定φ值，其中φ＝0表示在心室外部，φ＝1表示在心室內部，ξ是控制界面寬度的參數，ξ趨於0，G(φ)是任意滿足在φ＝0和φ＝1有最小值的雙阱函數；
將步驟A建立的心室電生理模型修改為
公式三
使用前向歐拉法求解公式三，求解出膜電位Vm。
5.根據權利要求4所述的基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，其特徵在於滿足在φ＝0和φ＝1有最小值的雙阱函數G(φ)為
6.根據權利要求4所述的基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，其特徵在於使用前向歐拉法求解公式三時，取時間步長Δt取值範圍在0.015～0.02ms之間。
全文摘要
基於真實人體解剖數據的ECG仿真方法，涉及一種心電圖仿真方法，解決了現有技術無法定量的確定心臟電生理特性的問題，具體過程如下A、使用TNNP心室肌細胞模型，利用真實人體心臟解剖數據，建立心室電生理模型；B、對步驟A建立的心室電生理模型進行求解，求解出膜電位Vm；C、根據步驟B獲得的膜電位Vm，獲得時間t介質中所有的點相對於源極點的跨膜電壓的密度ρ，以時間t為橫軸，以介質中所有的點相對於源極點的跨膜電壓的密度ρ為縱軸，繪製ECG曲線。本發明基於TNNP心室肌細胞模型，使用真實人體心臟解剖數據，建立心室電生理模型，引入輔助域求解膜電位Vm，並對心電圖進行仿真。
文檔編號G06F19/00GK101782943SQ20101012029
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月9日 優先權日2010年3月9日
發明者王寬全, 呂偉剛, 左旺孟, 袁永峰, 張恆貴 申請人:哈爾濱工業大學