近年來，先后有多人提出并建立了包含有浦肯野氏纖維的心室電傳導(dǎo)系統(tǒng)模型[3-5]，但是由于浦肯野氏纖維自身的結(jié)構(gòu)特點，在解剖學(xué)上很難準(zhǔn)確地將其與心室肌分離開來，所以，在當(dāng)前已有的模型中，大多是根據(jù)人工標(biāo)記得到的，沒有考慮浦肯野氏纖維的寬度信息。為此，本文建立了人的二維理想化心室電傳導(dǎo)計算模型，研究與分析浦肯野氏纖維的寬度對心室電興奮傳導(dǎo)的影響。

　　摘要：浦肯野氏纖維在保證心室肌同步有序列的收縮中起著重要作用，在許多情況下被認(rèn)為是嚴(yán)重室性心律失常發(fā)生的源頭。為了探索性地研究浦肯野氏纖維的寬度對心室電傳導(dǎo)系統(tǒng)的影響，建立了人的包含浦肯野氏纖維的心室電傳導(dǎo)系統(tǒng)計算模型來模擬不同寬度下電興奮在心室組織中的傳導(dǎo)過程。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浦肯野氏纖維的寬度增加時，其傳導(dǎo)電興奮的驅(qū)動能力增大，進(jìn)而引起心室肌組織中電興奮的傳導(dǎo)速率的增大。本模型對心律失常誘發(fā)機(jī)制研究提供了新的研究手段，還可以用來更加深入地研究浦肯野氏纖維-心室肌耦合連接機(jī)制，具有重大的理論和實踐意義。

　　關(guān)鍵詞：浦肯野氏纖維,心室電傳導(dǎo)系統(tǒng),電興奮傳導(dǎo)速率,心律失常

　　0引言

　　心壁內(nèi)由特殊心肌纖維組成的傳導(dǎo)系統(tǒng)是心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)，是由竇房結(jié)、房室結(jié)以及心室傳導(dǎo)系統(tǒng)組成的，心室傳導(dǎo)系統(tǒng)又包括希氏束，左、右束支和浦肯野氏纖維。心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生沖動并將其傳導(dǎo)至心臟各部位，進(jìn)而維持心房肌和心室肌有節(jié)律的收縮。20世紀(jì)90年代后期，大量的臨床和實驗室研究[1]發(fā)現(xiàn)浦肯野氏纖維（也稱浦氏纖維，PurkinjeFiber，PF）細(xì)胞是最易于發(fā)生心律失常的細(xì)胞，在許多情況下這是嚴(yán)重室性心律失常發(fā)生的源頭。又浦肯野氏纖維細(xì)胞的動作電位間期（ActionPotentialDuration，APD）遠(yuǎn)大于心室肌細(xì)胞的動作電位間期[2]，存在如此大差異的兩種細(xì)胞在結(jié)合時通常會造成很大的問題，但有研究表明，浦肯野氏纖維細(xì)胞和心室肌細(xì)胞在耦合連接時，由于細(xì)胞間的間隙連接，相應(yīng)的動作電位都會發(fā)生變化，從而使得二者的動作電位間期彼此接近。因此，浦肯野氏纖維問題成為了當(dāng)前臨床醫(yī)學(xué)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究心室電傳導(dǎo)過程的重要對象。

　　1心室電傳導(dǎo)模型的建立

　　1.1二維心室電傳導(dǎo)模型

　　為了分析、研究不同的浦肯野氏纖維寬度對心室組織電興奮傳導(dǎo)的影響，本文參照Aslanidi等人[6]提出的犬類浦肯野氏纖維-心室組織模型的結(jié)構(gòu)，結(jié)合PhilipStewart等人[7]提出的人類浦肯野氏纖維細(xì)胞模型和TenTusscher等人[1]提出的人類心室細(xì)胞模型（簡稱TNNP模型）建立了包含有浦肯野氏纖維的理想化二維人類心室電傳導(dǎo)模型。該模型由一條浦肯野氏纖維與一塊心室肌透壁切片組織耦合連接組成，如圖1所示。其中，浦肯野氏纖維的寬度隨實驗方案的不同而改變，長約45mm（300個細(xì)胞），如圖1中PF區(qū)域所示。心室透壁切片組織寬約60mm（400個細(xì)胞），長約15mm（100個細(xì)胞），如圖1中VM區(qū)域所示。由于心室肌細(xì)胞沿透壁方向的電特性具有非均勻的特點，根據(jù)文獻(xiàn)[8]將心室組織從內(nèi)到外分為三種類型細(xì)胞，心內(nèi)膜細(xì)胞（ENDO）、中間層細(xì)胞（M）和心外膜細(xì)胞（EPI），其比例為25：35：40。此外，圖中倒置的波形代表對該模型施加的外界電流刺激，刺激施加部位為浦肯野氏纖維最左端，該電流刺激方法則稱為標(biāo)準(zhǔn)電流刺激法，即由一組固定周期（T1）不可變的連續(xù)的S1刺激（30-50個）和一個可變周期（T2）的S2刺激組成。

　　2電興奮模擬方案

　　為了分析浦肯野氏纖維寬度對電興奮傳導(dǎo)過程的影響，根據(jù)浦肯野氏纖維的解剖數(shù)據(jù)，將其寬度設(shè)置為5、10、15、20、25、30、40和50共8種情況，單位是細(xì)胞的個數(shù)，對應(yīng)浦肯野氏纖維的寬度分別為0.75mm、1.5mm、2.25mm、3mm、3.75mm、4.5mm、6mm、7.5mm。對于一個可興奮細(xì)胞，細(xì)胞動作電位的傳導(dǎo)是無衰減的，但是在興奮組織模型中，電興奮在傳導(dǎo)過程中存在一定的衰減，因此，對于組織模型來講，引起組織興奮的閾上刺激要大于單細(xì)胞興奮的閾上刺激。本文采用標(biāo)準(zhǔn)電流刺激法，設(shè)置施加的電刺激持續(xù)時間為0.5ms，測試得到引起浦肯野氏纖維單細(xì)胞模型興奮的閾上刺激強(qiáng)度約為-9.8pA/pF，引起組織模型興奮的閾上刺激強(qiáng)度約為-35.2pA/pF。也就是說，對模型進(jìn)行仿真時所施加閾上刺激強(qiáng)度的大小與電興奮是否能夠成功傳導(dǎo)有著直接聯(lián)系，故本文對該模型進(jìn)行仿真計算時，在改變浦肯野氏纖維寬度的同時，也改變所施加的電流刺激強(qiáng)度大小，將其分別設(shè)置為-35.2pA/pF、-40pA/pF、-50pA/pF和-60pA/pF四種情況，那么本文主要是對上述4×8共32種情況下的實驗仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，并借助于電興奮傳導(dǎo)速率，探索性地研究浦肯野氏纖維的寬度和施加的電流刺激強(qiáng)度大小對心室電興奮傳導(dǎo)的影響。

　　考慮到模型是由非線性方程構(gòu)成，本文采用仿真多個周期來提高模型仿真結(jié)果的精確性，即30個S1刺激和1個S2刺激，其中S1和S2的刺激周期長度相同，均為800ms，對比分析各種情況下的模型仿真結(jié)果時均選取第31個周期（即施加S2刺激的那個周期，此時模型達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)）的實驗結(jié)果。

　　3興奮傳導(dǎo)速率

　　電興奮傳導(dǎo)速率（ConductionVelocity，CV）是指動作電位在心室組織中傳導(dǎo)的快慢，是用來評價電興奮傳導(dǎo)的一個重要指標(biāo)。對于本文所建立的模型，在仿真計算浦肯野氏纖維細(xì)胞的電興奮波的傳導(dǎo)速率時，以浦肯野氏纖維為例，在浦肯野氏纖維初始端和末端分別選取一個細(xì)胞，如圖1中用“*”標(biāo)記的1、2所示，在模型仿真的過程中，測定一個周期中這兩個細(xì)胞的動作電位去極化速率達(dá)到最大值時的時間間隔，那么兩個細(xì)胞之間的距離除以該時間間隔，就是電興奮的傳導(dǎo)速率，其中細(xì)胞之間的距離即為兩個細(xì)胞之間的細(xì)胞數(shù)目乘以模型仿真時的空間步長0.15mm。同樣地，對于心室肌細(xì)胞，可以選擇心內(nèi)層的一個細(xì)胞和心外層的一個細(xì)胞（如圖1中用“*”標(biāo)記的3和4所示），計算心室肌透壁方向上電興奮的傳導(dǎo)速率。當(dāng)然也可以通過選取適當(dāng)?shù)募?xì)胞計算得出心室肌組織寬度方向上電興奮的傳導(dǎo)速率，在此不再一一描述。4仿真實驗結(jié)果分析

　　按照第3節(jié)介紹的電興奮模擬方案對模型進(jìn)行仿真，模擬得到了各方案下組織計算模型的電興奮傳導(dǎo)過程，結(jié)果顯示（以浦肯野氏纖維的寬度是15個細(xì)胞為例），在每一個周期內(nèi)心室組織都能夠完全復(fù)極，電興奮正常傳導(dǎo)，圖2顯示了第31個周期心室組織電興奮的傳導(dǎo)過程，其中，圖2（a）、（b）和（c）分別表示心室組織去極化、慢速復(fù)極化以及快速復(fù)極化過程中某一時刻的電興奮傳導(dǎo)情況，圖2（d）表示心室組織復(fù)極化完成后的靜息狀態(tài)，圖中不同的顏色分別代表細(xì)胞的興奮程度，即細(xì)胞的動作電位大小，具體如圖片右側(cè)的顏色條所示。從圖中可以看出，當(dāng)細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時，在圖片中呈現(xiàn)的顏色為藍(lán)色，當(dāng)細(xì)胞響應(yīng)外界施加的刺激產(chǎn)生去極化時，其動作電位值增加，然后細(xì)胞開始緩慢復(fù)極化，細(xì)胞的動作電位逐漸減小，直至細(xì)胞完成復(fù)極達(dá)到靜息狀態(tài)。

　　在仿真過程中，計算各實驗方案下心室組織模型中浦肯野氏纖維和心室肌傳導(dǎo)電興奮的速率，實驗結(jié)果顯示，在浦肯野氏纖維中電興奮的傳導(dǎo)速率約為1.34m/s，遠(yuǎn)大于心室肌中電興奮的傳導(dǎo)速率，約為0.4m/s。在浦肯野氏纖維中，電興奮的傳導(dǎo)速率隨著浦肯野氏寬度和刺激強(qiáng)度改變時的變化情況如圖3所示.從圖中可以看出，當(dāng)刺激強(qiáng)度為-35.2pA/pF，電興奮傳導(dǎo)速率相對其他刺激強(qiáng)度情況下較慢，并且隨著浦肯野氏寬度的增加，電興奮傳導(dǎo)速率幾乎保持不變；當(dāng)刺激強(qiáng)度大于等于-40pA/pF時，不同刺激強(qiáng)度時電興奮的傳導(dǎo)速度僅有細(xì)微的差別，并且隨著浦肯野氏纖維寬度的增加，雖有稍許的波動，但是影響不大。由此可以得出，當(dāng)外界施加刺激強(qiáng)度大于一定范圍時，浦肯野氏纖維的寬度以及外界施加刺激強(qiáng)度的改變對浦肯野氏纖維本身的電興奮傳導(dǎo)速率基本沒有影響。

　　圖4（a）顯示了不同方案下心室肌中透壁方向電興奮的傳導(dǎo)速率變化情況，由圖可知，心室肌中電興奮的傳導(dǎo)速率約為0.4m/s，在同一刺激強(qiáng)度情況下，電興奮傳導(dǎo)速率隨著浦肯野氏纖維寬度的增加而增大，并且不同刺激強(qiáng)度下電興奮傳導(dǎo)速率的變化曲線幾乎是重合的，即一旦刺激強(qiáng)度達(dá)到組織興奮的閾上刺激，那么對心室肌透壁方向電興奮的傳導(dǎo)速率影響不大。圖4（b）顯示了心室肌透壁方向電興奮傳導(dǎo)速率隨浦肯野氏纖維寬度增加的百分比，可以看出，電興奮傳導(dǎo)速率雖然有所增加，但是增加的幅度比較小，浦肯野氏纖維寬度為7.5mm時相對于寬度為0.75mm時，在心室肌透壁方向，傳導(dǎo)速率增加的幅度約為2.1%�？紤]到心室肌組織的電不均勻性，因此在研究分析心室肌組織寬度方向上電興奮的傳導(dǎo)速率時，根據(jù)細(xì)胞的類型從三個方面進(jìn)行討論，圖5、6、7分別是心內(nèi)層細(xì)胞、中間層細(xì)胞以及心外層細(xì)胞電興奮傳導(dǎo)速率及其增加百分比情況，通過觀察圖知，在心室肌組織寬度方向上，不論是哪一種細(xì)胞類型，電興奮的傳導(dǎo)速率變化趨勢和心室肌透壁方向是一致的，均是隨著浦肯野氏纖維寬度的增加而呈上升趨勢，并且四種不同刺激強(qiáng)度情況下電興奮傳導(dǎo)速率的變化情況基本一致.不同的是，在心室肌組織寬度方向，心外層細(xì)胞的電興奮傳導(dǎo)速率最快，約0.72～0.86m/s，中間層細(xì)胞的較慢，大約為0.54～0.64m/s，心內(nèi)層細(xì)胞的電興奮傳導(dǎo)速率相對最慢，約為0.43～0.49m/s，但相對心室肌透壁方向，三者的電興奮傳導(dǎo)速率均比較快，這與各類型的細(xì)胞屬性相關(guān)。

　　5結(jié)束語

　　為了探索性地研究浦肯野氏纖維的寬度對心室組織電興奮傳導(dǎo)的影響，本文建立了人的包含浦肯野氏纖維二維理想化心室電傳導(dǎo)計算模型，基于該模型，模擬仿真了不同浦肯野氏纖維寬度下心室電傳導(dǎo)過程，通過對比分析各方案下模型的仿真結(jié)果，證明了浦肯野氏纖維傳導(dǎo)電興奮的驅(qū)動能力隨著其寬度的增加而增大。同時，本模型不僅可以用于先天性基因變異的心律失常機(jī)制以及藥物的抗心律失常作用的研究，為心律失常誘發(fā)機(jī)制研究提供了新的研究手段，還可以用來更加深入地研究浦肯野氏纖維與心室肌耦合連接機(jī)制，因而具有重大的理論和實踐意義。

　　本文是從生物與計算機(jī)的交叉領(lǐng)域進(jìn)行的探索性研究，雖然取得了一些成果，但是與人實際的心室電傳導(dǎo)系統(tǒng)還存在一定的差距，并且國內(nèi)外對于心室電傳導(dǎo)系統(tǒng)的建模與仿真研究在尚處于初級階段，特別是國內(nèi)，僅有少數(shù)的幾個實驗室在做虛擬心臟的建模與仿真研究，因此，該領(lǐng)域在研究過程中會有很多創(chuàng)新性的工作需要進(jìn)行深入研究，相信不久的將來，虛擬心臟建模技術(shù)會發(fā)展得更加完善，建立的模型也更加貼近實際，而將其應(yīng)用于臨床上心臟疾病的研究和治療，必將造福全人類。發(fā)揮積極而深遠(yuǎn)的重要作用。

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