[发明专利]心脏电兴奋传播的仿真方法

说明书

本发明涉及心脏电兴奋传播的仿真方法。

利用体表心电信号诊断心脏病是根据体表电位与心脏状态之间的关系知识来进行的。通过人体试验或动物实验只能获得部分定性的知识，这是因为心脏的确切状态无法确定或很难确定。随着现代电磁场理论的成熟和计算机技术的发展使得人们可以通过建立计算机心电仿真模型，利用仿真方法来获取体表电位与心脏状态之间相互关系的知识。一开始的模型比较简单，象电子模拟以及二维的心脏模型等，到了1968年日本的Okajima首次采用传播型心电仿真模型后，不少更符合实际情况的心电仿真模型相继出现。现在的仿真模型大多能做到三维真实几何形状的心脏模型和人体躯干模型。三维的真实几何形状的心电仿真模型称为虚拟心脏(Virtual Heart)。在虚拟心脏中，心脏的状态是由一组模型参数决定的，通过改变模型参数可以设置心脏的任意状态，通过仿真运算可得相应的心电图、心电向量图和体表电位图等，从而达到研究体表电位与心脏状态之间相互关系的目的，它所提供的知识是人体试验或动物实验方法所不能比拟的。现在世界上已有多个虚拟心脏的模型，唯独我们开发的虚拟心脏能以较高的精度和速度在微型计算机上运行。

建立虚拟心脏的关键在于心脏电兴奋传播仿真方法的构造，它决定了仿真的精度和速度。

现有的仿真方法大致可分为三种，简单介绍如下：

1.规则型仿真方法

规则型方法是指将仿真步长取为各相邻心肌单元之间兴奋传播所需的时间，在各仿真步中，若未兴奋的心肌单元的相邻单元已兴奋则开始其兴奋过程。在斜菱体心肌模型中，由于每个心肌单元与其12个相邻心肌都是等距离的，因而可以方便地实现兴奋传播速度的设置。但在相邻26邻点立方体网格中，由于相邻单元之间的距离有1，及之别，因而相应的传播时间不等。采用这种方法势必造成很大误差。如果成倍减小仿真步长，会使精度增加，但势必大大增加空扫描次数而造成仿真时间成倍增长。

2.波面型仿真方法

波面型方法的思想是将惠更斯原理直接形式化而来，即波面的传播是以当前波面上的点为源来进行的。在每一仿真步中，以各波前处已兴奋的心肌单元为原点做一兴奋传播球面，球的半径为对应一个仿真步长中的兴奋传播距离，处于该球面内的未兴奋心肌单元开始其兴奋过程。与规则型方法一样，在26邻点网格中或考虑到异向性的情况下，由于相邻心肌单元之间的兴奋传播时间不尽相同，仿真步长要取大于网格距离时才能达到要求。很明显，这样做将损失心肌几何模型精度，使得几层心肌单元同时兴奋，自然也就降低了仿真精度。另外，判别心肌单元是否在兴奋传播球面内亦需要大量的计算，因而仿真时间相应增加。

3.积分型仿真方法

积分型仿真方法是以下面的跨膜电位积分式为基础的 C m d Φ m dt = I m - I ion ]]>式中C_m为等效跨膜电容，Φ_m为跨膜电位，I_m为跨膜电流，I_ion为离子电流散度。

由于跨膜电流I_m中体现了耦联作用，因此这种方法类似于有限元方法。同时I_m中还包含了对网格节点距离的考虑及心肌异向性电特性的考虑，所以这种算法适合任何网格中异向性兴奋传播仿真的需要。另外，式中还包含了较多的心肌单元去极化期细胞膜特性，因此仿真中可提供更多的心电场电生理信息。但是，这种算法的计算量大得惊人，曾有人估计过，在IBM730上仿真6万个结点的二维心肌细胞阵列需3000年，因而只有在大型机上方能进行仿真。