心臟電興奮源的發(fā)展

心臟電興奮源的發(fā)展【摘要】本文綜述了心電仿真中一個(gè)重要的因素-心臟電興奮源的發(fā)展，簡(jiǎn)要介紹了偶極子模型的建立方法、應(yīng)用、發(fā)展和不足，介紹了雙域模型在現(xiàn)代心電仿真中的優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】偶極子模型；雙域模型

心電正問題［1，2］是以研究心肌細(xì)胞興奮特點(diǎn)、心臟去極和復(fù)極過(guò)程、肌體容積導(dǎo)電特性為依據(jù)，假定心臟興奮的等效電源模型和心電場(chǎng)定義域模型，然后應(yīng)用電磁場(chǎng)理論推算體表電位分布。心電正問題涉及到兩個(gè)重要的因素，其一是等效的心臟電興奮源［3］，其二是傳導(dǎo)電流的容積導(dǎo)體，即心臟-軀干模型，對(duì)于心臟-軀干模型的建立，從早期的簡(jiǎn)化模型，例如同心球模型、偏心球模型、圓柱體模型等，發(fā)展到現(xiàn)在的由CT和MRI掃描建立起來(lái)的真實(shí)心臟-軀干模型［4］，而對(duì)于心臟電興奮源模型的建立仍是心電正問題的一個(gè)尚待完善的問題，其發(fā)展大致經(jīng)歷了單偶極子模型、多偶極子模型、偶極子層模型，發(fā)展到現(xiàn)在的雙域模型。

1偶極子模型

1950年，Einthoven等［5］提出單偶極子模型：心肌去極化時(shí)產(chǎn)生的心電源等價(jià)于一個(gè)偶極子，該偶極子正極在非興奮區(qū)，負(fù)極在興奮區(qū)。合適選擇偶極子的大小、方向及可能位置可以在體表產(chǎn)生如同真實(shí)心臟產(chǎn)生的心電圖；在單偶極子模型的基礎(chǔ)上，有學(xué)者又提出了一些比較真實(shí)的、有效的簡(jiǎn)單模型，其中一個(gè)用了多個(gè)離散的偶極子表示心電源，稱為多偶極子。1965年，Selvester等［6］用20個(gè)偶極子來(lái)模擬體表VCG和ECG，按照心肌受到刺激后興奮的傳導(dǎo)順序，不同的偶極子在不同的時(shí)間內(nèi)有效。相對(duì)于單偶極子模型，該模型得到的體表ECG中，QRS波群中后期部分所含的信息大大提高。1975年，Holland等在固體角理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用偶極子層模型研究了豬心肌缺血時(shí)的心外膜電位分布；其它改進(jìn)的模型如移動(dòng)的單偶極子模型、移動(dòng)的多偶極子模型也曾應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中。但是偶極子模型有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：這些模型只有在紀(jì)錄電極與心臟的距離遠(yuǎn)大于心臟電活動(dòng)區(qū)域時(shí)，并且在均一容積導(dǎo)體中才有效，也就是說(shuō)，此類模型只能處理遠(yuǎn)場(chǎng)電位，雙域模型彌補(bǔ)了這方面的不足。

2雙域模型

心肌雙域模型［7，8］是以心肌微觀特性為基礎(chǔ)的宏觀模型，在此模型中，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外被認(rèn)為是連續(xù)的區(qū)域并疊加在一起，處處由細(xì)胞膜分開，因而描述了心肌電場(chǎng)的宏觀平均結(jié)果。此模型是在20世紀(jì)70年代末由Tung首次提出，來(lái)研究心肌缺血時(shí)直流電位的變化。同時(shí)，Miller和Geselowitz等也把這種模型用于正常和異常心臟的心電圖模擬中，從而提出了心肌細(xì)胞內(nèi)外的電位變化的電流源來(lái)源于細(xì)胞跨膜電位的空間梯度。

心肌的雙域模型在心臟電生理研究中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面，第一是在外加刺激的作用下，從已知的各種跨膜電流，求解心肌細(xì)胞動(dòng)作電位的變化，從而確定心肌興奮的過(guò)程,這類問題又分心肌作為被動(dòng)的導(dǎo)電組織和主動(dòng)的導(dǎo)電組織兩種情況［9］；第二是在已知細(xì)胞動(dòng)作電位分布的情況下，求解心肌細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞外的電位分布［10］。從理論上來(lái)講，第一個(gè)問題是第二個(gè)問題的前提，而由于對(duì)某些跨膜電流認(rèn)識(shí)的缺乏以及方程的特性，第一個(gè)問題的求解很困難，尤其是對(duì)現(xiàn)實(shí)的三維心肌結(jié)構(gòu)，因此雙域模型在第二個(gè)問題方面的應(yīng)用更為廣泛，目前，應(yīng)用較多的是以雙域模型為基礎(chǔ)，研究心肌各向異性對(duì)心臟電興奮傳播的影響。

對(duì)于心臟電興奮的宏觀特性的研究，雙域模型是目前較為完善的模型，它不僅可以模擬心臟電興奮的傳播過(guò)程，還可以模擬ECG的全過(guò)程。今后對(duì)雙域模型的研究應(yīng)該包括：完善上述第一類問題在真實(shí)心臟模型上的求解，即利用雙域模型，根據(jù)心肌的結(jié)構(gòu)和興奮觸發(fā)，模擬心肌的興奮過(guò)程和細(xì)胞動(dòng)作電位的分布，進(jìn)一步解決傳統(tǒng)意義上的心電正問題，從而完成心臟電興奮和心電圖全過(guò)程的模擬。

【參考文獻(xiàn)】

1楊基海，彭虎.正向心電仿真及其研究現(xiàn)狀.生物學(xué)雜志，1998，15：7-9.

2呂維雪，夏靈.心外膜電位仿真研究.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，1996，15：132-139.

3陳強(qiáng)，馮煥清，彭虎.一種改進(jìn)的心臟電興奮矢量傳播算法.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2002，21：5-10.

4劉金秋.計(jì)算機(jī)模擬心臟電生理的研究進(jìn)展.中國(guó)心臟起搏與心電生理雜志，2001，15：60-62.

5EinthovenW，F(xiàn)ahrthedirectionandmanifestsizeofthevariationsofpotentialinthehumanheartandontheinfluenceofthepositionoftheheartontheformoftheelectrocardiogram，AmHeartJ，1950，40：163-197.

6SelvesterRH，CollierCR，Pearsoncomputermodelof，1965，31：45-53.

7MillerWT，Geselowitzstudiesofthenormalheart，CircRes，1978，43：301-315.

8LicomputersimulationofSTsegmentShiftinmyocardicalischemia，PHD:UniversityofTasmania，1997,30.

9HenriquezCS，Plonseyofpropagationalongacylindricalbundleofcardiactissue-I：Mathem