专利名称：基于真实人体解剖数据的ecg仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种心电图仿真方法。
背景技术：
心脏是人体的重要器官，心脏病更是严重威胁人类健康的四大疾病之一。根据中华人民共和国卫生部最新统计，2008年我国城市居民心脏病的死亡率已由2007年的第三位(仅次于恶性肿瘤和脑血管病)上升至第二位(仅次于恶性肿瘤)，而且仍保持上升趋势。因此深入研究心脏搏动机理，了解心脏的解剖结构，电生理和力学特性，对于心脏疾病的预防和治疗有及其重要的意义。心脏病学已成为现代医学中最重要的研究领域之一。
心脏是个复杂的系统，长期以来，对心脏解剖结构，生理功能等各个方面的研究都需要借助于动物或人体实验的方法，但是这些方法不仅周期长、代价高、危险性大，往往难以得到令人满意的结果。而且实验多是基于动物体的，由于人体的心脏和其他哺乳动物的相比有很多差异，包括心脏大小，心率，动作电位的形状、时程等，因此动物实验得到的结果也不能直接推广到人体。
随着计算机运算和存储能力的快速提高以及复杂心脏活动数据积累的日益完善，综合使用计算生理学、数学建模技术和虚拟现实技术对人体心脏进行建模和仿真实验已经逐渐得到了国内外学术界的认可，并已成为现代心脏病学科的重要发展方向之一。虚拟心脏的研究旨在将心脏从细胞到组织的各层次结构、各种复杂生理/病理过程(如电生理信号传导、手术及药物作用)等行为利用计算机进行仿真模拟，并通过人机交互的方式来实现各种建模和仿真实验。近半个世纪以来，心脏病已成为威胁人类健康最严重的疾病之一。临床研究表明心肌缺血是致命性心律失常的重要诱因，它使得心脏组织传导阻塞，从而引发室速或室颤，而室速和室颤是导致心脏猝死的最主要的因素。因此，研究心肌缺血情况下心脏电生理特性对揭示心律失常的发生机制具有重要意义。
发明内容
本发明为了解决现有技术无法定量的确定心脏电生理特性，提供一种基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法。
基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，具体过程如下 基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，其特征在于具体过程如下 步骤A、使用TNNP心室肌细胞模型，利用真实人体心脏解剖数据，建立心室电生理模型； 所述TNNP心室肌细胞模型表述如下 其中，Vm表示膜电位，t表示时间，Cm表示膜电容，D表示扩散系数，▽表示梯度算子，Iion表示跨膜离子流总和，Istim表示所施加的刺激电流； INa表示钠离子电流，IK1表示内向整流钾电流，Ito表示外向瞬时电流，IKr表示快激活延迟整流钾电流，IKs表示慢激活延迟整流钾电流，ICaL表示L型钙离子电流，INaCa表示钠钙交换电流，INaK表示钠钾泵电流，IpCa表示平台钙电流，IpK表示平台钾电流，IbCa表示背景钙电流，IbNa表示背景钠电流； 步骤B、对步骤A建立的心室电生理模型进行求解，求解出膜电位Vm； 步骤C、根据步骤B获得的膜电位Vm，获得时间t介质中所有的点相对于源极点的跨膜电压的密度ρ 其中V是整个心室的体积或者是心室组织切片的面积，
是组织切片的中点到记录电极的向量，D是扩散系数，r为组织切片的中点到记录电极的距离；然后，以时间t为横轴，以介质中所有的点相对于源极点的跨膜电压的密度ρ为纵轴，绘制获得ECG曲线。
本发明的创新点在于，基于TNNP心室肌细胞模型，使用真实人体心脏解剖数据，建立心室电生理模型，引入辅助域求解膜电位Vm，并对心电图进行仿真。
图1为左心室心内膜缺血的效果图。图2为左心室心内膜小面积缺血情况的心电图仿真图。图3为左心室心内膜严重缺血情况的心电图仿真图。图4为左心室心外膜缺血的效果图。图5为左心室心外膜小面积缺血情况的心电图仿真图。图6为左心室心外膜严重缺血情况的心电图仿真图。图7为左心室透壁缺血的效果图。图8为左心室透壁小面积缺血情况的心电图仿真图。图9为左心室透壁严重缺血情况的心电图仿真图。图10为基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图10说明本实施方式，基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，具体过程如下 基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，其特征在于具体过程如下 步骤A、使用TNNP心室肌细胞模型，利用真实人体心脏解剖数据，建立心室电生理模型； 所述TNNP心室肌细胞模型表述如下 其中，Vm表示膜电位，t表示时间，Cm表示膜电容，D表示扩散系数，▽表示梯度算子，Iion表示跨膜离子流总和，Istim表示所施加的刺激电流； INa表示钠离子电流，IKI表示内向整流钾电流，Ito表示外向瞬时电流，IKr表示快激活延迟整流钾电流，IKs表示慢激活延迟整流钾电流，ICaL表示L型钙离子电流，INaCa表示钠钙交换电流，INaK表示钠钾泵电流，IpCa表示平台钙电流，IpK表示平台钾电流，IbCa表示背景钙电流，IbNa表示背景钠电流； 步骤B、对步骤A建立的心室电生理模型进行求解，求解出膜电位Vm； 步骤C、根据步骤B获得的膜电位Vm，获得时间t介质中所有的点相对于源极点的跨膜电压的密度ρ 其中V是整个心室的体积或者是心室组织切片的面积，
是组织切片的中点到记录电极的向量，D是扩散系数，r为组织切片的中点到记录电极的距离；然后，以时间t为横轴，以介质中所有的点相对于源极点的跨膜电压的密度ρ为纵轴，绘制获得ECG曲线。
ECG是electrocardiogram的缩写，表示心电图。
TNNP心室肌细胞模型是Tusscher等人于2004年提出的人类心室肌细胞模型，该模型基于新的实验数据，包括了所有主要的离子电流，在电生理特性和仿真性能上更接近人体的真实情况，因而更适用于复杂的心室组织电生理活动的仿真研究。TNNP心室肌细胞模型，在真实的人类心脏组织数据上，建立心肌缺血的病理状态模型，定量研究缺血对ECG的影响，探讨心肌缺血下导致心律失常的机制。对于精细的人体解剖心室组织来说，由于其几何形状上的复杂性，这就需要一个高效的方法来处理边界条件。这里，我们使用相场法来避免计算复杂的边界条件。相场法是以金兹堡-朗道相变理论为基础，引入新变量-相场φ而得名，这种方法使用统一的控制方程，用相场跟踪系统中的相来自动处理边界条件，这样在整个求解域中采用相同的数值计算方法，在保持模拟结果精度的同时大大降低了计算复杂度。
具体实施方式
二、本实施方式是对具体实施方式
一中的步骤A的进一步说明，步骤A中真实人体心脏解剖数据为“可视人计划”解剖结构数据集。
美国“可视人计划”(Visible Human Project)解剖结构数据集，提取了女性切片数据中的左心室三维数据，沿Z轴方向分层后选择信息量较多的一片左心室组织。由于心室肌细胞间的电不均一性，按照解剖学比例特征，我们沿心肌方向从内到外将心室壁分为五层心内膜层、内过渡层、中间层、外过渡层、心外膜层。
具体实施方式
三、本实施方式是对具体实施方式
一或二中的步骤A的进一步说明，心肌缺血的情况下，心室发生如下6种生理和病理的变化局部缺氧，ATP水平下降，细胞内外环境酸化，细胞外钾离子浓度增高，细胞内钠离子和钙离子浓度增加，细胞外钠离子浓度降低；所述6种生理和病理的变化归纳为ATP敏感性钾电流IK(ATP)激活造成，步骤A建立的心室电生理模型为 其中，ATP敏感性钾电流IK(ATP)，如下公式所示 其中，g0是离子通道最大电导，[K+]o是细胞外钾离子浓度，fM、fN、fT是校正系数，fMfNfT三者乘积取值范围为0～0.01，fATP是开放的离子通道比，EK是离子通道反转电位，fATP如下公式所示 其中，H＝1.3+0.74βexp(-0.09[ADP]i)，其中，[ATP]i为细胞内ATP浓度，[ADP]i为细胞内ADP浓度，不同细胞类型，g0、α和β的取值见下表 另外，内过渡层和外过渡层相应参数取相邻两层均值。
具体实施方式
四、本实施方式是对具体实施方式
一中的步骤B的进一步说明，步骤B的具体过程为 引入辅助域φ来区分心室组织的内外界，其中φ＝0表示在心室外部，φ＝1表示在心室内部，通过求解公式二来确定φ值 公式二 其中，ξ是控制界面宽度的参数，ξ趋于0，G(φ)是任意满足在φ＝0和φ＝1有最小值的双阱函数； 将步骤A建立的心室电生理模型修改为 公式三 使用前向欧拉法求解公式三，求解出膜电位Vm。
具体实施方式
五、本实施方式是对具体实施方式
一中的步骤B中“G(φ)是任意满足在φ＝0和φ＝1有最小值的双阱函数”进一步说明，G(φ)为 具体实施方式
六、本实施方式与具体实施方式
四的不同之处在于前向欧拉法求解公式三时，取时间步长Δt取值范围在0.015～0.02ms之间。
空间步长Δx和Δy大小一般为真实人体心脏解剖数据的分辨率，例如具体实施方式
二中采用美国“可视人计划”解剖结构数据集，其分辨率为0.33mm，Δx＝Δy＝0.33mm，如果所用数据不同，空间步长也会不同，因数据而异，空间步长越小精度越高。
ξ控制界面宽度的参数一般取空间步长大小即可。
具体实施方式
七、本实施方式是利用本发明的方法仿真局部缺血严重程度不同和局部缺血面积不同两种缺血情况下的心电图，对应参数分别设置如下 轻度缺血情况下，在缺血区域内，设置[K+]o值为7.5mM，细胞内ATP浓度为5mM，细胞内ADP浓度[ADP]i为100mM；内向Na+电流和L-型Ca电流都乘以系数0.95，用以初始化酸液环境。
严重缺血情况下，在缺血区域内，设置[K+]o值为11.0mM，细胞内ATP浓度为5mM，细胞内ADP浓度[ADP]i为100mM；内向Na+电流和L-型Ca电流都乘以系数0.80，用以初始化酸液环境。
而正常情况下，[K+]o值为5.4mM，细胞内ATP浓度[ATP]i为6.8mM，细胞内ADP浓度[ADP]i为15mM。
这里，由于心内膜细胞的动作电位持续时间太短，导致T波倒置，为了延长其动作电位时程，故把IKs通道电导率GKs调整为0.149nS/pF。
从心室不同部位缺血严重程度和缺血面积上探讨局部心肌缺血情况下心脏的电生理活动。
图1为左心室心内膜缺血的效果图，其中区域1为缺血区域，区域2为健康区域，之间的连接区域3为过渡区。心电图的变化与缺血严重程度和缺血面积都有一定关系，图2和图3分别为左心室心内膜缺血面积相同缺血严重程度不同和缺血严重程度相同缺血面积不同情况下ECG的仿真。图2中曲线11表示严重缺血的ECG曲线，曲线12表示轻度缺血的ECG曲线，曲线13表示正常情况的ECG曲线。图3中曲线21表示大面积缺血的ECG曲线，曲线22表示小面积缺血的ECG曲线，曲线23表示正常情况的ECG曲线。
由图2和图3可以观察到，心内膜细胞的动作电位时程由于缺血而缩短，则跨膜电位梯度便不能形成，T波低平，当其小于心外膜细胞的动作电位时程时，便产生相反的跨膜电位梯度，产生倒立的T波。心电图的变化还与缺血面积有关，在缺血面积相同的情况下，缺血程度越大，T波的下降的幅度越大；在缺血程度相同的情况下，缺血面积越大，T波下降的幅度也越大。在图2中，由于缺血面积较小，心内膜缺血细胞复极后又产生了正立的T波。
图4为左心室心外膜缺血的效果图。其中区域4为缺血区域，区域6为健康区域，之间的连接区域5为过渡区。图5和图6为左心室心外膜缺血情况下ECG仿真。图5中曲线31表示严重缺血的ECG曲线，曲线32表示轻度缺血的ECG曲线，曲线33表示正常情况的ECG曲线。图6中曲线41表示大面积缺血的ECG曲线，曲线42表示小面积缺血的ECG曲线，曲线43表示正常情况的ECG曲线。
可以观察到，心电图表现为ST段上升和T波抬高。这是因为心外膜缺血使心外膜细胞动作电位时程相比心内膜细胞的动作电位时程进一步缩短，使得跨壁电位梯度提前出现且落差增大，故ST段抬高，T波更加高耸。缺血程度越严重，缺血细胞动作电位时程越短，ST段上升的越早越高。心外膜心肌缺血心电图变化的程度同样与缺血的面积有关，这里就不再详述。
心内膜缺血进一步发展可形成透壁性缺血，图7为左心室透壁缺血的效果图。其中区域7为缺血区域，区域9为健康区域，之间的连接区域8为过渡区。图8为心室透壁缺血情况下ECG仿真，图9为心室透壁严重缺血症状时，不同缺血面积情况下的ECG仿真。图8中曲线51表示严重缺血的ECG曲线，曲线52表示轻度缺血的ECG曲线，曲线53表示正常情况的ECG曲线。图9中曲线61表示大面积缺血的ECG曲线，曲线62表示小面积缺血的ECG曲线，曲线63表示正常情况的ECG曲线。
由图8可以观察到，缺血面积相同，小面积缺血情况下，缺血细胞的动作电位时程缩短的很小，缺血细胞先复极，但正常细胞随后也进行复极，第一个T波还未形成时，第二个T波也已经产生，两个T波基本重合在一起，只是比正常心电图提前形成T波；严重缺血情况下，缺血细胞的动作电位时程缩短的较大，第一个T波形成时间更靠前，且呈双T波现象。缺血区域整个室壁细胞的动作电位时程都成比例的缩短，所以这一区域的跨膜电位梯度提前到来，但方向仍正常。
由图9可以观察到，在透壁严重缺血症状下，当缺血面积较大时，缺血细胞数量较多，对跨膜电位梯度贡献较大，形成双T波形态，即缺血细胞先进行复极，产生正常的跨膜电位梯度，形成第一个T波，随后正常细胞进行复极，产生跨膜电位梯度，产生第二个T波；当缺血面积较小时，缺血细胞的数量较少，对跨膜电位梯度贡献较小，不能提前产生T波，对心电图影响较小。
本专利对人体心室心肌缺血症状进行了定量研究，得出的结果与实验结论吻合，通过实验所建立的模型不但可以用来仿真心肌缺血症，还可以用来研究其他心肌微观生理病理上难以用实验解释的疾病病因，作为虚拟心脏的“基石”，为研究心脏疾病的并发机理提供了一个有力的辅助手段。
权利要求
1.基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，其特征在于具体过程如下
步骤A、使用TNNP心室肌细胞模型，利用真实人体心脏解剖数据，建立心室电生理模型；
所述TNNP心室肌细胞模型表述如下
其中，Vm表示膜电位，t表示时间，Cm表示膜电容，D表示扩散系数，▽表示梯度算子，Iion表示跨膜离子流总和，Istim表示所施加的刺激电流；
INa表示钠离子电流，IK1表示内向整流钾电流，Ito表示外向瞬时电流，IKr表示快激活延迟整流钾电流，IKs表示慢激活延迟整流钾电流，ICaL表示L型钙离子电流，INaCa表示钠钙交换电流，INaK表示钠钾泵电流，IpCa表示平台钙电流，IpK表示平台钾电流，IbCa表示背景钙电流，IbNa表示背景钠电流；
步骤B、对步骤A建立的心室电生理模型进行求解，求解出膜电位Vm；
步骤C、根据步骤B获得的膜电位Vm，获得时间t介质中所有的点相对于源极点的跨膜电压的密度ρ
其中V是整个心室的体积或者是心室组织切片的面积，
是组织切片的中点到记录电极的向量，D是扩散系数，r为组织切片的中点到记录电极的距离；然后，以时间t为横轴，以介质中所有的点相对于源极点的跨膜电压的密度ρ为纵轴，绘制获得ECG曲线。
2.根据权利要求1所述的基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，其特征在于步骤A中真实人体心脏解剖数据为“可视人计划”解剖结构数据集。
3.根据权利要求1所述的基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，其特征在于步骤A所建立的心室电生理模型中还包括ATP敏感性钾电流IK(ATP)，此时的心室电生理模型为
其中，ATP敏感性钾电流IK(ATP)为
其中，g0是离子通道最大电导，[K+]o是细胞外钾离子浓度，fM、fN、fT是校正系数，fMfNfT三者乘积取值范围为0～0.01，fATP是开放的离子通道比，EK是离子通道反转电位，fATP如下公式所示
其中，H＝1.3+0.74βexp(-0.09[ADP]i)，其中，[ATP]i为细胞内ATP浓度，[ADP]i为细胞内ADP浓度，不同细胞类型，g0、α和β的取值见下表
4.根据权利要求1所述的基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，其特征在于步骤B的具体过程为
根据公式二
确定φ值，其中φ＝0表示在心室外部，φ＝1表示在心室内部，ξ是控制界面宽度的参数，ξ趋于0，G(φ)是任意满足在φ＝0和φ＝1有最小值的双阱函数；
将步骤A建立的心室电生理模型修改为
公式三
使用前向欧拉法求解公式三，求解出膜电位Vm。
5.根据权利要求4所述的基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，其特征在于满足在φ＝0和φ＝1有最小值的双阱函数G(φ)为
6.根据权利要求4所述的基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，其特征在于使用前向欧拉法求解公式三时，取时间步长Δt取值范围在0.015～0.02ms之间。
全文摘要
基于真实人体解剖数据的ECG仿真方法，涉及一种心电图仿真方法，解决了现有技术无法定量的确定心脏电生理特性的问题，具体过程如下A、使用TNNP心室肌细胞模型，利用真实人体心脏解剖数据，建立心室电生理模型；B、对步骤A建立的心室电生理模型进行求解，求解出膜电位Vm；C、根据步骤B获得的膜电位Vm，获得时间t介质中所有的点相对于源极点的跨膜电压的密度ρ，以时间t为横轴，以介质中所有的点相对于源极点的跨膜电压的密度ρ为纵轴，绘制ECG曲线。本发明基于TNNP心室肌细胞模型，使用真实人体心脏解剖数据，建立心室电生理模型，引入辅助域求解膜电位Vm，并对心电图进行仿真。
文档编号G06F19/00GK101782943SQ20101012029
公开日2010年7月21日 申请日期2010年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者王宽全, 吕伟刚, 左旺孟, 袁永峰, 张恒贵 申请人:哈尔滨工业大学