专利汇可以提供一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,本 发明 涉及Thimthy综合症发病机制的建模方法。本发明的目的是为了解决当前无法实现微观与宏观研究的统一的问题。一、建立Thimthy综合症离子通道模型;二、建立Thimthy综合症心肌细胞电生理模型;三、建立Thimthy综合症心肌 纤维 电生理模型;四、建立心脏切片 几何模型 ;五、建立Thimthy综合症心肌组织电生理模型;步骤六、建立心脏几何模型;七、建立Thimthy综合症心脏电生理模型;八、建立人体的心脏-躯干几何模型;九、与Thimthy综合症临床 心电图 对比分析。本发明应用于发病机制的建模方法领域。,下面是一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法专利的具体信息内容。
1.一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法具体是按照以下步骤进行的:
步骤一、通过膜片钳设备获取的Thimthy综合症离子通道电生理数据和实验环境信息,利用欧姆定律,建立Thimthy综合症离子通道模型,通过前向欧拉法求解微分方程,获取不同膜电压离子通道的最大电流,探讨Thimthy综合症基因CACNA1C突变对离子通道电流幅值和面积变化的影响,并对离子通道功能分析;
步骤二、根据Thimthy综合症离子通道模型,将心肌细胞膜等效为一个电路,建立Thimthy综合症心肌细胞电生理模型,进行细胞动作电位数值仿真,得出Thimthy综合症离子电流,探讨ICaL对细胞膜电位的影响,得到细胞动作电位;
步骤三、根据Thimthy综合症心肌细胞电生理模型,利用间隙连接电耦合方法,建立Thimthy综合症心肌纤维电生理模型,进行电传导波数值仿真,得出Thimthy综合症传导速度和单向传导时间窗,探讨传导速度和单向传导时间窗对Thimthy综合症折返波产生的影响,并对跨膜心肌纤维动作电位时程离散度分析;
步骤四、通过医学影像设备获取的心脏切片几何信息,利用图像分割技术,建立心脏切片几何模型;
步骤五、根据所述Thimthy综合症心肌纤维电生理模型和心脏切片几何模型,将心肌组织中相互耦合的心肌细胞等效为一个电路网络,形成心肌组织等效电网,建立Thimthy综合症心肌组织电生理模型,进行折返波数值仿真,获得不同时刻转子的运动轨迹,探讨不同时刻转子的运动轨迹对Thimthy综合症折返波稳定的影响,获取折返波主频率;
步骤六、根据所述心脏切片几何模型,利用三维重构方法,建立心脏几何模型;
步骤七、根据所述Thimthy综合症心肌组织电生理模型和心脏几何模型,建立Thimthy综合症心脏电生理模型,通过前向欧拉法求解反应扩散方程,获得电传导波的轨迹,探讨心脏对Thimthy综合症产生折返波的影响,并对传导波生命周期进行分析;
步骤八、通过医学影像设备获取的人体解剖几何信息,并建立人体的心脏-躯干几何模型;
步骤九、依据所述Thimthy综合症心脏电生理模型和心脏-躯干几何模型,利用心脏表面源映射方法,得到体表心电图,并与Thimthy综合症临床心电图对比分析。
2.根据权利要求1所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤一中通过膜片钳设备获取的Thimthy综合症离子通道电生理数据和实验环境信息,利用欧姆定律,建立Thimthy综合症离子通道模型,通过前向欧拉法求解微分方程,获取不同膜电压离子通道的最大电流,探讨Thimthy综合症基因CACNA1C突变对离子通道电流幅值和面积变化的影响,并对离子通道功能分析;具体过程为:
通过膜片钳设备获取Thimthy综合症病人的细胞Cav1.2通道电生理数据以及实验环境信息,其中,电生理数据包括激活曲线m∞(E)、失活曲线n∞(E)、时间常数Taum(E)和Taun(E)、I-V(E)曲线、离子通道的平衡电位Vrel(E);实验环境信息为实验温度;
利用电生理数据和实验环境信息进行曲线拟合,建立离子通道激活门开放概率m和离子通道失活门开放概率n的数学模型,计算最大电导GCaL,获得离子通道的电阻为R=1/(GCaLm∞n∞);依据离子通道的平衡电位Vrel和细胞膜电位V,计算离子通道两侧的电压为U=(V-Vrel);依据欧姆定律,通过离子通道的电流ICaL=U/R;从而得到Thimthy综合症离子通道模型ICaL=GCaLmn(V-Vrel);
式中:ICaL为Thimthy综合症离子通道电流,GCaL为最大电导,离子通道激活门开放概率m的数学模型为dm/dt=(m∞-m)/Taum,离子通道失活门开放概率n的数学模型为dn/dt=(n∞-n)/Taun,V为细胞膜电位,Vrel为离子通道的平衡电位;
通过前向欧拉法求解离子通道失活门开放概率n和离子通道激活门开放概率m的微分方程,得出Thimthy综合症离子通道激活曲线m∞和失活曲线n∞,获取不同细胞膜电位V下离子通道的最大电流ICaL,得到仿真的I-V曲线,与正常情况下离子通道模型的分子动力学进行比较,获取基因CACNA1C突变引起离子通道激活曲线m∞和失活曲线n∞平移的方向和旋转的角度,计算离子通道激活曲线m∞和失活曲线n∞围成区域的面积的改变,分析基因CACNA1C突变引起激活曲线m∞和失活曲线n∞改变对于I-V曲线的影响;
计算一个刺激周期CL中,细胞膜电位V随时间变化的离子通道电流ICaL,获取整个刺激周期CL过程中离子通道的电流ICaL最大值的绝对值为电流幅值,计算整个刺激周期CL电流ICaL的积分得到电流ICaL的面积,与正常情况下离子通道电流ICaL进行比较,分析基因CACNA1C突变对于离子通道电流ICaL的电流幅值和面积的影响,即与正常情况比较,分析基因CACNA1C突变引起激活曲线m∞和失活曲线n∞改变对于仿真的I-V曲线的改变,分析基因CACNA1C突变引起激活曲线m∞和失活曲线n∞改变对于ICaL的电流幅值和面积的改变,确定基因CACNA1C突变导致离子通道电流的增加与减少,从而确定基因CACNA1C突变导致的离子通道功能的改变。
3.根据权利要求2所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤一中建立Thimthy综合症离子通道模型;具体过程为:
步骤一一、依据温度系数Q10=(R2/R1)10/(T2-T1)得到膜片钳设备获取的Thimthy综合症病人的细胞Cav1.2通道实验温度T1到生理温度T2的数据,其中R1和R2为反应速率,T2=37摄氏度;
步骤一二、对Cav1.2通道激活m∞(E)曲线和失活n∞(E)曲线进行归一化处理后,利用m∞(E)=1/(1+e(Va-V)/Sa)对激活曲线进行拟合,利用n∞(E)=1/(1+e(V-Vina)/Sina)对失活曲线进行拟合;
式中:m∞(E)为实验获得Cav1.2通道激活曲线,n∞(E)为实验获得Cav1.2通道失活曲线,Va为m∞(E)=0.5的值,Sa为m∞(E)=0.5处曲线的斜率;Vina为n∞(E)=0.5的值,Sina为n∞(E)=0.5处曲线的斜率;
步骤一三、利用Tau=A/(1+e(VA-V)/SA)+B/(1+e(V-VB)/SB)+Ce(V-VC)/SC对Cav1.2通道激活时间常数Taum(E)和失活时间常数Taun(E)进行拟合,Taum(E)为实验获得激活时间常数,Taun(E)为实验获得失活时间常数;
式中:A为曲线拟合系数,B为曲线拟合系数,C为曲线拟合系数,VA为曲线拟合系数,VB为曲线拟合系数,VC为曲线拟合系数,SA为曲线拟合系数,SB为曲线拟合系数,SC为曲线拟合系数;
步骤一四、从而获得离子通道失活门开放概率n=n∞-(n∞-n)e(-TH/Taun)和离子通道激活(-TH/Taum(E))
门开放概率m=m∞(E)-(m∞(E)-m)e 随时间和细胞膜电位变化的计算公式,其中m初始值为1,n初始值为0,T H为时间步长,在这里TH=0.02ms;
依据实验中的Vrel(E)和能斯特方程推算获得的平衡电位Vrel,获得Thimthy综合症离子通道模型的计算方式ICaL=mn(V-Vrel),将Thimthy综合症离子通道模型整合入人体细胞模型中,仿真膜片钳实验获得I-V(E)曲线的刺激协议,获得仿真的I-V曲线,与膜片钳实验获得的I-V(E)曲线比较,确定GCaL的值,从而获得Thimthy综合症离子通道模型ICaL=GCaLmn(V-Vrel)。
4.根据权利要求3所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤二中根据Thimthy综合症离子通道模型,将心肌细胞膜等效为一个电路,建立Thimthy综合症心肌细胞电生理模型,进行细胞动作电位数值仿真,得出Thimthy综合症离子电流,探讨ICaL对细胞膜电位的影响,得到细胞动作电位;具体过程为:
根据已建立的Thimthy综合症离子通道模型,结合人体细胞中的其它离子通道和离子泵模型,其它离子通道为INa,INaL,Ito,IKr,IKs和IK1,离子泵模型为INaK和INCX,将心肌细胞膜等效为一个电路,建立Thimthy综合症心肌细胞电生理模型,通过对Thimthy综合症心肌细胞电生理模型施加强度为IIstrength和时间为Tperiod的刺激Istim,模拟窦性心律对于心肌细胞的刺激,通过前向欧拉法求解细胞动作电位微分方程,进行细胞膜电位V数值仿真,得出Thimthy综合症总离子电流Iion,获取不同时刻的细胞膜电位,
刺激为Istim=IIstrength×Tperiod,总离子电流为Iion=ICaL+INa+INaL+Ito+IKr+IKs+IK1+INaK+INCX,细胞动作电位微分方程为dV/dt=(Istim+Iion)/Cm,
式中,Cm为细胞膜电容,t为时间,IIstrength为-80mV,Tperiod为0.5ms,INa为快钠电流,INaL为晚钠电流,Ito为瞬时外向钾电流,IKr为快速延迟整流钾电流,IKs为慢激活延迟整流钾电流,IK1为内向整流钾电流,INaK为钠钾交换电流,INCX为钠钙交换电流;
前向欧拉法计算细胞膜电位公式为Vn+1=Vn+TH(dVn/dt),将细胞膜的静息电位V0=Vm=-87.5mV作为初始值,V0为膜电位的初始值,Vm为细胞膜的静息电位,利用tn时刻细胞膜电位Vn来计算tn+1时刻的细胞膜电位Vn+1,通过迭代计算,获得不同时刻的细胞膜电位V,探讨ICaL(L型钙电流)对细胞膜电位的形态和时程的影响,得到细胞动作电位。
5.根据权利要求4所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤三中根据Thimthy综合症心肌细胞电生理模型,利用间隙连接电耦合方法,建立Thimthy综合症心肌纤维电生理模型,进行电传导波数值仿真,得出Thimthy综合症传导速度和单向传导时间窗,探讨传导速度和单向传导时间窗对Thimthy综合症折返波产生的影响,并对跨膜心肌纤维动作电位时程离散度分析;具体过程为:
根据Thimthy综合症心肌细胞电生理模型,结合不同心肌细胞的电异质性和纤维走向,利用间隙连接电耦合方法,建立Thimthy综合症心肌纤维电生理模型,通过前向欧拉法求解Thimthy综合症心肌纤维电生理模型的反应扩散方程dV/dt=(Istim+Iion)/Cm+▽·D▽V;
式中:▽·D▽V为电压梯度的散度,D为间隙连接电耦合的强度,▽为梯度算子;
进行电传导波数值仿真,计算电传导波波峰从心肌纤维A传导到心肌纤维B的时间差Δt,获得Thimthy综合症传导速度CV=SA-B/Δt;
式中:SA-B为心肌纤维A到心肌纤维B的距离,CV为传导速度;
分析Thimthy综合症传导速度对于电传导波波长和安全传导的影响,过程为:使用标准S1S2刺激程序,测试产生单向传导时间窗T2~T1,分析引起Thimthy综合症心律失常产生的时机;探讨传导速度和单向传导时间窗对Thimthy综合症折返波产生的影响;计算整个心肌纤维中各个细胞的复极时间,获得最早复极的时间点Tearly和最晚复极的时间点Tlate,使用两者的时间差Tlate-early=Tlate-Tearly来表示跨膜心肌纤维动作电位时程离散度,以此来分析Thimthy综合症对于纤维异质性的影响。
6.根据权利要求5所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤四中通过医学影像设备获取的心脏切片几何信息,利用图像分割技术,建立心脏切片几何模型;具体过程为:
通过医学影像设备CT获取心脏切片图像,利用图像分割技术,获取心脏不同组织的几何信息,建立心脏切片几何模型。
7.根据权利要求6所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤五中根据所述Thimthy综合症心肌纤维电生理模型和心脏切片几何模型,将心肌组织中相互耦合的心肌细胞等效为一个电路网络,形成心肌组织等效电网,建立Thimthy综合症心肌组织电生理模型,进行折返波数值仿真,获得不同时刻转子的运动轨迹,探讨不同时刻转子的运动轨迹对Thimthy综合症折返波稳定的影响,获取折返波主频率;具体过程为:
根据已建立的Thimthy综合症心肌纤维电生理模型和心脏切片几何模型,考虑心脏切片不同组织细胞电生理的异质性,利用心肌组织等效电网方法,建立Thimthy综合症心肌组织电生理模型,利用标准S1S2刺激程序,使得S2刺激时间在单向传导时间窗T2~T1的范围内,通过前向欧拉法求解反应扩散方程dV/dt=(Istim+Iion)/Cm+▽·D▽V,获得折返波,记录每个时间点心肌组织波峰的位置,计算相邻TH两个波峰的传导速度,记录传导最慢点的位置,以此获得不同时刻转子的运动轨迹,计算转子的半径r和周期性,以此衡量折返波的稳定性,探讨不同时刻转子的运动轨迹对Thimthy综合症折返波稳定的影响,通过傅里叶变换,获取折返波的主频率。
8.根据权利要求7所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤七中根据所述Thimthy综合症心肌组织电生理模型和心脏几何模型,建立Thimthy综合症心脏电生理模型,通过前向欧拉法求解反应扩散方程,获得电传导波的轨迹,探讨心脏对Thimthy综合症产生折返波的影响,并对传导波生命周期进行分析;具体过程为:
根据已建立Thimthy综合症心肌组织电生理模型和心脏几何模型,建立Thimthy综合症心脏电生理模型,通过前向欧拉法求解反应扩散方程dV/dt=(Istim+Iion)/Cm+▽·D▽V,进行电传导波数值仿真,得出不同时刻Thimthy综合症电传导波的等电位线,获得电传导波的轨迹,探讨心脏外壁对Thimthy综合症产生折返波的影响,并对电传导波生命周期进行分析。
9.根据权利要求8所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤八中通过医学影像设备获取的人体解剖几何信息,并建立人体的心脏-躯干几何模型;具体过程为:
通过医学影像设备MRI获取人体解剖几何信息,利用图像分割和三维重建技术,建立人体的心脏-躯干几何模型。
10.根据权利要求9所述一种基于多尺度心脏Thimthy综合症发病机制的建模方法,其特征在于:所述步骤九中依据所述Thimthy综合症心脏电生理模型和心脏-躯干几何模型,利用心脏表面源映射方法,得到体表心电图,并与Thimthy综合症临床心电图对比分析;具体过程为:
依据已建立Thimthy综合症心脏电生理模型和心脏-躯干几何模型,利用心脏表面源映射方法,通过积分电位梯度的方法,得到体表电位,获得体表心电图,并与Thimthy综合症临床心电图对比分析;
所述心电图为QT间期的数据。
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