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基于犬双心室电力学复合模型的心力衰竭仿真研究

作　者: 窦建洪
导　师: 夏灵
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 虚拟心脏心脏电力学复合模型有限元法梗塞区膨展束支传导阻滞心脏再同步治疗心力衰竭
分类号: R318.0
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

虚拟心脏的建模仿真工作是一项极其复杂的系统工程,它集解剖学、电生理学、力学、生物化学、数学及计算机科学等为一体,通过对心脏的形态、运动和功能等方面的仿真,再现心脏生理和病理条件下的生物电传导、心肌力学和心血管负荷等特性。一个详细的心脏模型,可以定量地、直观地研究心脏的动态行为,成为医生极为有用的辅助性工具,而在临床或动物实验中很难做到。数学模型可以模拟和分析所有对心脏疾病诊断和治疗极为有用的电力学参数,而不必受到伦理学的限制。本文基于杜克大学医学中心提供的犬双心室解剖结构的磁共振(MRI)扫描体数据和7.1特斯拉场强下的弥散张量-磁共振(DT-MRI)扫描的心肌纤维张量的特征向量数据集,并结合心脏解剖结构知识,首先成功地建立了具有精细解剖结构的犬双心室三维数学模型。然后基于细胞离子通道模型和单域模型方程的心肌兴奋传播并行算法的实现,得到了心室的电兴奋时序和心肌兴奋收缩力。最后利用八节点等参元有限元方法(FEM),在具有材料横断各向同性的心室弹性体几何模型中加入心电兴奋力,建立了犬双心室电力学复合模型,并仿真了心室的运动和变形得到了定量的心室力学特性。在此基础上,我们建立了心肌梗塞(MI)引起的心衰(HF)模型和束支传导阻滞(BBB)引起的心衰模型,并针对左束支传导阻滞(LBBB)建立了心脏再同步治疗(CRT)的优化模型。本研究的主要创新点和贡献有：(1)验证了采用MRI扫描的真实几何形状和DT-MRI扫描的真实纤维旋向数据构建犬双心室三维电力学复合模型的可行性。几何形状和纤维旋向对于心脏的力学特性有着重大的影响,以往的心脏模型多采用简单几何形状的轴对称模型,心肌纤维旋向假设从心内膜到心外膜是线性变化的,不利于对真实心肌力学特性的研究。(2)定量地研究了急性心肌梗塞(AMI)后左心室的不同部位发生心肌梗死和梗塞范围大小对梗塞区心肌膨展(IE)程度的影响,通过对收缩期心壁的运动、应变和应力分布情况的模拟分析,验证了前壁靠心尖部位发生心肌梗死要比后壁更易产生梗塞区的心肌膨展,且透壁性的心肌梗塞范围越大,发生梗塞区膨展的程度也越大,与临床结果相符。国际上有关心肌膨展的虚拟心脏建模定量研究极少。(3)成功地模拟了BBB情况下的室内和室间的力学不同步,以及电兴奋传播的异步性,证明在BBB期间存在左、右心室间和左心室内的收缩不同步,而RBBB比LBBB有较好的力学同步性和左室收缩功能,心脏会朝向首先兴奋的心室运动,且BBB期间室间隔会产生较大的应力。国内外BBB心脏数学模型的研究大多集中在电生理特性上,对RBBB的建模仿真很少。(4)本研究针对犬LBBB的数学模型,验证了一种自动的、无损的用于术前BivP起搏位置和室间延迟优化的方法和策略,采用的评价标准是“周向一致性比例估计值”(CURE)。结果显示在CRT优化过程中,力学的评价标准(如CURE)优于以往计算机模型中采用的电学评价标准(如ERMS),它可以更好地反映心室收缩的同步性和血液动力学特性。同时说明,特定的个体需要根据心脏的解剖结构和病情,单独地调整起搏电极位置和起搏延迟时间,与当前的临床研究相符。总之,该电力学复合心脏模型验证了利用真实的解剖结构数据和纤维旋向数据可以仿真心脏生理、病理情况下的力学功能,它为下一步建立具有人体特异性的各种病理情况下的计算机模型奠定了基础。现代医学发展的一个重要目标就是能够无损地获取个体化的正常和不正常情况下的生理信息,得到疾病的精确诊断和治疗,而数学模型是实现该目的的一个重要手段。一方面,心脏建模可以增加我们对心脏疾病机制的理解；另一方面,模型往往是真实过程的简化描述,因此结果需要大量的实验来验证。将虚拟心脏模型与各种实验、临床检测手段所获得的信息进行融合,实现疾病的正确诊断,是心脏建模仿真的最终目的,最重要的在于正向和逆向心脏建模的结合。

全文目录

致谢  7-9
摘要  9-11
ABSTRACT  11-14
缩写  14-17
目次  17-21
第1章绪论  21-39
  1.1 心脏建模的研究概况  21-36
    1.1.1 引言  21
    1.1.2 心脏模型的发展历程  21-28
      1.1.2.1 早期的心脏模型  22
      1.1.2.2 现代心脏模型的发展  22-28
    1.1.3 心力衰竭的仿真研究  28-36
      1.1.3.1 心力衰竭的认识  28-29
      1.1.3.2 心力衰竭模型的最新进展  29-36
  1.2 选题及意义  36-37
  1.3 论文的组织结构  37-39
第2章心脏的解剖结构和生理功能  39-61
  2.1 心脏宏观生理结构  39-50
    2.1.1 总体结构  39-44
      2.1.1.1 右心房(right atrial,RA)  40-41
      2.1.1.2 左心房(left atrial,LA)  41-42
      2.1.1.3 右心室(right ventricle,RV)  42
      2.1.1.4 左心室(left ventricle,LV)  42-43
      2.1.1.5 心脏的间隔(Septum)  43-44
    2.1.2 心脏的结缔组织网络和支架结构  44-45
    2.1.3 心壁的构造  45-46
      2.1.3.1 心包膜  45
      2.1.3.2 心壁分层  45-46
    2.1.4 心脏兴奋传导系统  46-50
      2.1.4.1 窦房结  47
      2.1.4.2 房室结  47-48
      2.1.4.3 房内束  48-49
      2.1.4.4 房室束  49-50
  2.2 心脏微观结构  50-53
    2.2.1 概述  50-52
    2.2.2 心肌的层状结构  52-53
  2.3 心脏的功能  53-59
    2.3.1 心脏的泵血过程  53-56
    2.3.2 心血管循环系统  56-57
    2.3.3 冠脉循环  57-59
  2.4 小结  59-61
第3章基于犬解剖结构的几何建模和电生理建模  61-79
  3.1 心脏解剖结构的数学模型  61-63
    3.1.1 心脏解剖结构的数学模型发展历史  61-63
  3.2 基于DUKE大学MR扫描数据的犬双心室解剖数学模型重建  63-73
    3.2.1 数据的描述  64-66
    3.2.2 数据的处理  66-73
      3.2.2.1 心室肌的分层  66-67
      3.2.2.2 心肌纤维旋向的处理  67-70
      3.2.2.3 犬双心室数学解剖模型的构建  70-73
  3.3 心脏的电生理建模  73-76
    3.3.1 心肌细胞模型  73-74
    3.3.2 兴奋-扩散方程(Reaction-diffusion equations)  74-75
    3.3.3 数值计算求解  75-76
    3.3.4 并行运算的实现  76
  3.4 小结  76-79
第4章犬的双心室三维电力学复合建模与仿真  79-113
  4.1 心脏的电力学建模(MODELLING CARDIAC ELECTRO-MECHANICS)  79-83
    4.1.1 概述  79-80
    4.1.2 细胞层次的电力学耦合 (Cellular Electro-Mechanics)  80-81
    4.1.3 组织层次的电力学建模(Modeling Tissue Electro-Mechanics)  81-83
  4.2 心室肌纤维组织的力学特性  83-86
    4.2.1 心电兴奋序列的提取  83
    4.2.2 心电信号激励产生的兴奋收缩力计算  83-85
    4.2.3 心肌材料参数的确定  85-86
  4.3 有限元分析理论基础  86-105
    4.3.1 弹性力学基础  86-90
      4.3.1.1 基本概念  86-87
      4.3.1.2 弹性力学的基本方程  87-89
      4.3.1.3 虚功原理和变分原理  89-90
    4.3.2 等参元理论  90-97
      4.3.2.1 等参单元的基本概念  90
      4.3.2.2 六面体等参元  90-91
      4.3.2.3 等参单元的单元分析  91-96
      4.3.2.4 基于肌纤维结构的坐标变换  96-97
    4.3.3 有限元法分析过程  97-104
      4.3.3.1 有限元模型的建立  97-100
      4.3.3.2 有限元求解  100-101
      4.3.3.3 结果处理  101-104
    4.3.4 边界约束条件  104-105
  4.4 犬的正常心室电力学模型仿真  105-110
    4.4.1 概述  105
    4.4.2 电兴奋模拟  105-106
    4.4.3 力学模拟  106-109
      4.4.3.1 心室最小主应变(E_3)分析  106-108
      4.4.3.2 心室横断面的第一主应力分析  108-109
      4.4.3.3 心室壁运动情况模拟  109
    4.4.4 讨论  109-110
  4.5 小结  110-113
第5章心肌梗塞引起的心力衰竭模型仿真  113-127
  5.1 梗塞区膨展概述  113-114
  5.2 MI模型的建立方法  114-118
    5.2.1 MI的几何模型  114-116
    5.2.2 MI的电生理模型  116-117
    5.2.3 梗塞心肌组织的力学特性  117
    5.2.4 MI的电力学复合模型  117-118
  5.3 MI病变的电兴奋仿真结果  118
  5.4 MI病变的力学仿真结果  118-123
    5.4.1 心壁运动分析  118-119
    5.4.2 应变场分析  119-121
    5.4.3 应力场分析  121-123
  5.5 讨论  123-125
  5.6 小结  125-127
第6章束支传导阻滞引起的充血性心力衰竭力学仿真研究  127-139
  6.1 BBB模型的研究进展  127-128
  6.2 电兴奋仿真  128-129
  6.3 力学仿真  129-136
    6.3.1 心室主应变分析  130-133
    6.3.2 第一主应力(The first main stress)分布  133-135
    6.3.3 运动分析  135
    6.3.4 射血分数(Ejection fraction,EF)计算  135-136
  6.4 数值计算  136
  6.5 讨论  136-138
  6.6 结论  138-139
第7章心脏再同步治疗的优化策略研究  139-157
  7.1 概述  139-141
  7.2 CRT优化原则  141-146
    7.2.1 电学评价指标  142-144
      7.2.1.1 电兴奋生理一致性原则  142
      7.2.1.2 兴奋传导中间(1/2)原则  142-144
    7.2.2 力学评价指标  144-146
      7.2.2.1 CURE(circumferential uniformity ratio estimate)  144-146
      7.2.2.2 心肌兴奋收缩最晚位置原则  146
    7.2.3 血流动力学评价指标  146
  7.3 CRT优化模型的建立  146-148
  7.4 结果  148-151
    7.4.1 最优CRT组合的计算  148-149
    7.4.2 最优CRT组合与LBBB情况下的力学对比  149-151
  7.5 讨论  151-154
  7.6 小结  154-157
第8章总结与展望  157-161
  8.1 本研究的主要创新点及贡献  157-158
  8.2 讨论与展望  158-161
参考文献  161-171
附录作者攻读博士学位期间完成的相关论文和获奖情况  171

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