心脏动力学行为的元胞自动机建模及研究

The spiral waves and the turbulence chaos in cardiac are dangerous for life.It has been proved that Cellular Automata(CA) is efficient and simple for studying the behaviour of the electric signal in myocardium, but the cardiac CA has not been set up, and the study for the cardiac dynamics from cell level should be developed. Works such as followings will be done in this project.(1)We will establish the corresponding CA models for the six major heart cells first, and then establish the CA model for the teart system, which will provide the foundation for studying the cardiac dynamics from cell level using CA.(2)We will introduce the factors such as the cardiac deformation, the cardiac memory, the conduction delay, the aging cells, and the defect into the cardiac CA and study the new mechano-electric feedback relationship on the cell level under cadiac deformation. We will also study the effect of the memory duration and the memory type on the cardiac dynamics as well as the effect of the conduction delay,the aging cells ,and the defect on the nonlinear waves in cardiac,trying to find the mechanisms of tachycardia and fibrillation.(3)We will propose the effective methods for controlling the spiral waves and the turbulence chaos in cardiac,which take advantage of the feature of the cardiac cells such as memory. The results of this project will provide meaningful reference for heart disease prevention.

心肌电信号出现螺旋波和时空混沌态将危及生命。采用元胞自动机(CA)研究心肌电信号已被证明为简单可行，但心脏系统的CA模型未建立，细胞水平上对心脏动力学行为的数值模拟研究有待进行。本项目将做以下工作：（1）首先分别建立六种主要心脏细胞的CA 模型，然后在此基础上构建包括主要细胞和房室腔的心脏系统CA模型，为利用心脏系统CA模型从细胞水平上研究心脏动力学行为奠定基础。（2）在心脏系统CA模型中引入形变、记忆、传导延迟、细胞老化、缺陷等因素，从细胞水平上探讨心脏机械形变下新的力电耦合关系，研究心房肌、心室肌的记忆时长与记忆模式对心脏动力学行为的影响，研究传导延迟、细胞老化、缺陷等因素对心肌电信号非线性波的影响，分析心动过速和心颤的产生机制。（3）探索利用心肌细胞自身特点如记忆效应来控制心肌电信号螺旋波态和时空混沌态的方法。本项目的研究结果将为心脏病的防治提供有意义的参考。

心肌电信号出现螺旋波和时空混沌态将危及生命，心肌组织中非线性波的演化规律已成为心脏病学研究的重要内容之一。本项目着眼于心肌电信号的螺旋波动力学行为研究和螺旋波态与时空混沌态的控制方法研究。经过项目组成员四年的共同努力，取得了以下的结果：（1）建立了反映心肌细胞不同特点的一系列元胞自动机模型（如考虑心脏几何结构的二维元胞自动机模型），探讨了机械形变、记忆时长、记忆模式、传导延迟、细胞老化、反常激发等因素对心肌电信号非线性波的影响，数值模拟仿真了心肌电信号在心脏中的传递过程，所得到的生物电信号场点电势走势与临床心电图定性一致，解释了典型心电图波形走势的产生机制。（2）研究了细胞外钾离子浓度延迟恢复、波斑图引起的后除极化现象、心肌细胞与成纤维间相互作用、局部耦合与非对称耦合方式等对螺旋波动力学行为的影响，观察到了呼吸螺旋波、螺旋波Lévy飞行式漫游、螺旋波停止旋转后像靶波一样消失、自维持平面波、内向螺旋波、耦合螺旋波同步等新现象。（3）提出了螺旋波和时空混沌态的控制方法，如低通滤波方法、调控钠通道门弛豫时间常数方法、晚钠电流作用等。所获得的研究成果为细胞水平上探讨心肌电活动提供了理论依据和数值仿真参考，有助于人们理解在心脏系统中出现的复杂现象，并为消除室颤提供新思路。项目发表学术论文19篇，其中被SCI索引的论文13篇，被EI索引的论文1篇；培养了10名硕士研究生获得学位。