专利名称：心脏电兴奋传播的仿真方法
技术领域：
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CmdΦmdt=Im-Iion]]>式中Cm为等效跨膜电容，Φm为跨膜电位，Im为跨膜电流，Iion为离子电流散度。
由于跨膜电流Im中体现了耦联作用，因此这种方法类似于有限元方法。同时Im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。
由此不难看出，规则型、波面型及积分型仿真方法各有优缺点。前两者都基于惠更斯有理，其仿真速度较快，但仿真精度差；而积分型则相反，仿真精度高，信息量全面，但仿真速度慢，且存储量大。对于规则型和波面型方法，由于仅考虑到某一心肌单元兴奋时其邻近尚未兴奋的心肌单元何时兴奋的问题，而一旦某心肌单元兴奋后就不再接受邻近心肌单元的兴奋，因而这二种方法不能仿真需要考虑多周期的心律失常。
本发明的目的是提供一种心脏电兴奋传播的仿真方法。
心脏电兴奋传播的仿真方法是定义1 在26邻点立方体网格中，心肌单元记为H(i，j，k)，其邻近单元记为Aijk(l，m，n)＝H(i±l，j±m，k±n)(l，m，n可为1，0，-1)H(i，j，k)的起始兴奋时刻记为T(i，j，k)，其邻近单元的起始兴奋时刻记为Tijk(l，m，n)，当前时刻记为T；定义2 H(i，j，k)的兴奋传播速度记为v(i，j，k)，H(i，j，k)与Aijk(l，m，n)之间的距离记为dijk(l，m，n)，则兴奋从H(i，j，k)传播到Aijk(l，m，n)所需的时间为tijk(l，m，n)＝dijk(l，m，n)/v(i，j，k)定义3 仿真步长Δt定义为Δt＝min(tijk(l，m，n)i，j，k，l，m，n)定义4 H(i，j，k)的有效不应期(或绝对不应期)、相对不应期和超常期分别记为HERP(i，j，k)、HRRP(i，j，k)和HSNP(i，j，k)，Aijk(l，m，n)的有效不应期记为AERP(l，m，n)，H(i，j，k)的自律周期记为CL(i，j，k)；定义5 H(i，j，k)在时刻T的动作电位幅度定义为ΦH(i，j，k)，其正常兴奋阈值定义为QH，在相对不应期和超常期内的兴奋阈值分别记为QHRRP和QHSNP，Aijk(l，m，n)在时刻T的动作电位幅度定义为ΦA(l，m，n)，其正常兴奋阈值定义为QA；定义6 H(i，j，k)的有效兴奋期(即在此期间有能力使相邻心肌产生兴奋)定义为HEAP(i，j，k)＝T－T(i，j，k)，andΦH(i，j，k)＞QA定义7 仿真中遇到的判断条件C1T－Δt＜T(i，j，k)＜TC2T－T(i，j，k)≤HERP(i，j，k)C3HERP(i，j，k)＜T－T(i，j，k)≤HERP(i，j，k)＋HRRP(i，j，k)C4HERP(i，j，k)＋HRRP(i，j，k)＜T－T(i，j，k)≤HERP(i，j，k)＋HRRP(i，j，k)＋HSNP(i，j，k)C5HERP(i，j，k)＋HRRP(i，j，k)＋HSNP(i，j，k)＜T－T(i，j，k)≤CL(i，j，k)C6T－T(i，j，k)≥CL(i，j，k)C7ΦA(l，m，n)＜QHC8ΦA(l，m，n)≥QHSNPC9ΦA(l，m，n)≥QHRRPC10H(i，j，k)为传入阻滞单元；定义8在任意时刻，H(i，j，k)可为以下四种状态之一(1)不应态RC2∨(C3∧C9)∨(C4∧C8)∨(C5∧C7)(2)波面态WC1∨C6(3)可兴奋态EC10∧((C3∧C9)∨(C4∧C8)∨(C5∧C7))(4)待兴奋态P为一中间跟踪状态仿真规则I如果满足C6，则令T(i，j，k)＝T(i，j，k)＋CL(i，j，k)仿真规则II如果H(i，j，k)∈W且Aijk(l，m，n)∈E，则令
Tijk(l，m，n)＝T(i，j，k)＋tijk(l，m，n)仿真规则III如果H(i，j，k)∈W且Aijk(l，m，n)∈R，若T(i，j，k)＋HEAP(i，j，k)＞Tijk(l，m，n)＋AERP(l，m，n)则令Aijk(l，m，n)∈P仿真规则IV如果H(i，j，k)∈P且H(i，j，k)∈E，则令T(i，j，k)＝Tijk(l，m，n)＋tijk(l，m，n)仿真步骤如下Step 1T＝To(To为起始仿真时刻)；Step 2若H(i，j，k)∈W，则对Aijk(l，m，n)执行规则I，II，III，IV；Step 3记TE=MIN{T(i,j,k)+CL(i,j,k)ifT(i,j,k)<TT(i,j,k),ifT(i,j,k)>T]]>Step 4令T＝TE；Step 5如果T＜TL转Step2(TL为给定的仿真时间长度)Step 6结束。
本发明以与真实心脏相同的机理来仿真心脏的电兴奋传播，也就是说每一心肌单元是否接受邻近心肌单元的兴奋取决于该单元是否处于可兴奋状态以及邻近心肌单元的动作电位幅值大小。若某心肌处于静息期、相对不应期或超常期内，则当其邻近心肌单元的动作电位幅值超过其相应的兴奋阈值时，该心肌单元就产生兴奋。此外，各心肌单元都有潜在的自律周期，如果超过其自律周期而未受邻近单元的兴奋刺激，则该单元就会主动发放兴奋。由于心肌单元兴奋后在其绝对不应期内是无法再兴奋的，因而在各仿真步中我们不考虑正处于绝对不应期内的心肌单元的再兴奋问题。
仿真方法的评价标准是看它的仿真速度和精度两个指标。速度快，精度高自然是优化方法。为便于比较，我们取一41×41×49大小的立方体网格，兴奋起始于第25层的中心，在各向同性的假设下，理想的兴奋波面应该是一系列同心球面。对于波面型仿真方法，仿真步长Δt取2秒和5秒，也即时间分辨率比新方法低2倍和5倍。仿真测试结果如表1所示。
表1仿真方法的性能测试结果
仿真测试结果表明，对于波面型方法，当Δt取为2秒时，兴奋波面不呈球面，即仿真精度低。当Δt取5秒时，虽然兴奋波面呈球面，似乎仿真精度较高，但这是以多层心肌同时兴奋为代价的，因而仿真精度实际上并不高。至于积分型方法，虽然仿真精度高，但所用的内存和时间都是微型计算机上所不能忍受的。
权利要求
1.一种心脏电兴奋传播的仿真方法定义1 在26邻点立方体网格中，心肌单元记为H(i，j，k)，其邻近单元记为Aijk(l，m，n)＝H(i±l，j±m，k±n)(l，m，n可为1，0，-1)H(i，j，k)的起始兴奋时刻记为T(i，j，k)，其邻近单元的起始兴奋时刻记为Tijk(l，m，n)，当前时刻记为T；定义2 H(i，j，k)的兴奋传播速度记为v(i，j，k)，H(i，j，k)与Aijk(l，m，n)之间的距离记为dijk(l，m，n)，则兴奋从H(i，j，k)传播到Aijk(l，m，n)所需的时间为tijk(l，m，n)＝dijk(l，m，n)/v(i，j，k)定义3 仿真步长Δt定义为Δt＝min(tijk(l，m，n)i，j，k，l，m，n)定义4 H(i，j，k)的有效不应期(或绝对不应期)、相对不应期和超常期分别记为HERP(i，j，k)、HRRP(i，j，k)和HSNP(i，j，k)，Aijk(l，m，n)的有效不应期记为AERP(l，m，n)，H(i，j，k)的自律周期记为CL(i，j，k)；定义5 H(i，j，k)在时刻T的动作电位幅度定义为ΦH(i，j，k)，其正常兴奋阈值定义为QH，在相对不应期和超常期内的兴奋阈值分别记为QHRRP和QHSNP，Aijk(l，m，n)在时刻T的动作电位幅度定义为ΦA(l，m，n)，其正常兴奋阈值定义为QA；定义6 H(i，j，k)的有效兴奋期(即在此期间有能力使相邻心肌产生兴奋)定义为HEAP(i，j，k)＝T－T(i，j，k)，andΦH(i，j，k)＞QA定义7 仿真中遇到的判断条件C1T－Δt＜T(i，j，k)＜TC2T－T(i，j，k)≤HERP(i，j，k)C3HERP(i，j，k)＜T－T(i，j，k)≤HERP(i，j，k)＋HRRP(i，j，k)C4HERP(i，j，k)＋HRRP(i，j，k)＜T－T(i，j，k)≤HERP(i，j，k)＋HRRP(i，j，k)＋HSNP(i，j，k)C5HERP(i，j，k)＋HRRP(i，j，k)＋HSNP(i，j，k)＜T－T(i，j，k)≤CL(i，j，k)C6T－T(i，j，k)≥CL(i，j，k)C7ΦA(l，m，n)＜QHC8ΦA(l，m，n)≥QHSNPC9ΦA(l，m，n)≥QHRRPC10H(i，j，k)为传入阻滞单元；定义8在任意时刻，H(i，j，k)可为以下四种状态之一(1)不应态RC2∨(C3∧C9)∨(C4∧C8)∨(C5∧C7)(2)波面态WC1∨C6(3)可兴奋态EC10∧((C3∧C9)∨(C4∧C8)∨(C5∧C7))(4)待兴奋态P为一中间跟踪状态仿真规则1如果满足C6，则令T(i，j，k)＝T(i，j，k)＋CL(i，j，k)仿真规则II如果H(i，j，k)∈W且Aijk(l，m，n)∈E，则令Tijk(l，m，n)＝T(i，j，k)＋tijk(l，m，n)仿真规则III如果H(i，j，k)∈W且Aijk(l，m，n)∈R，若T(i，j，k)＋HEAP(i，j，k)＞Tijk(l，m，n)＋AERP(l，m，n)则令Aijk(l，m，n)∈P仿真规则IV如果H(i，j，k)∈P且H(i，j，k)∈E，则令T(i，j，k)＝Tijk(l，m，n)＋tijk(l，m，n)特征在于其仿真步骤如下Step 1T＝To(To为起始仿真时刻)；Step 2若H(i，j，k)∈W，则对Aijk(l，m，n)执行规则I，II，III，IV；Step 3记TE=MIN{T(i,j,k)+CL(i,j,k)ifT(i,j,k)<TT(i,j,k),ifT(i,j,k)>T]]>Step 4令T＝TE；Step 5如果T＜TL转Step2(TL为给定的仿真时间长度)Step 6结束。
全文摘要
本发明公开了一种心脏电兴奋传播的仿真方法。按定义仿真步骤如下1.T=To；2.若H(i，j，k)∈w，则对A
文档编号G06F17/00GK1140281SQ9610216
公开日1997年1月15日 申请日期1996年3月8日 优先权日1996年3月8日
发明者吕维雪, 夏灵, 段云所 申请人:浙江大学