国家自然科学基金(81271661)
- 作品数：7 被引量：8H指数：1
- 相关作者：张虹赵丹李蕊娟黄欣唐永洪更多>>
- 相关机构：西安交通大学西安交通大学医学院第一附属医院更多>>
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- 相关领域：自动化与计算机技术医药卫生动力工程及工程热物理更多>>
- 基于光学标测的电除颤实验平台设计与实现
- 2013年
- 根据心脏电除颤实验研究的需要,设计实现了一个基于光学标测原理的实验研究平台。利用波长为519 nm的LED阵列作为激发光源,通过截止波长为600 nm的滤镜、高速CCD摄像头和采集卡提取离体心肌内注射的电压敏感染料所发射的荧光信号,并采用最小均方误差的自适应滤波方法,同步多位点记录到心肌膜电位信号。另外,以ATmega32单片机为主控器件,USB接口,设计了外加直流电场和电刺激脉冲控制模块,使整个实验平台实现了外部干预和信号标测的同步自动控制。本平台不仅为研究电除颤新方法提供了一个良好的实验环境,同时还可用于心律失常的发生机制以及电场对心肌电活动的生物学效应等研究。
- 张虹刘永波杨昭杨琳
- 关键词：电场脉冲刺激电除颤
- 2相早后除极诱发时空湍流的抑制方法被引量：6
- 2015年
- 针对心肌细胞膜电位振荡的早期后除极（EAD）诱发的湍流,提出了恒定电场和周期电场两种湍流消除方法并对其效果进行了比较。基于LR91单细胞模型构建了一块包含400×400个细胞格点的二维组织,并通过将K＋电流门控变量时常数和Ca2＋电流最大电导分别增大4和2倍的方法在组织中心设置了一块由20×20个格点构成,具有EAD特征的区域。利用垂直场法诱导螺旋波斑图,并在EAD的作用下碎裂出现湍流即室颤。通过在反应扩散方程中引入电场项建立除颤模型,并引入膜电位的全局偏导数判别湍流的抑制效果。计算机仿真结果表明,恒定电场法抑制湍流的时间小于50 ms,周期场法需历时200 ms,但两种方法电场的实际作用时间无显著差异;尽管周期场法产生的总热能是恒定电场法的2.3倍,但周期场法一个周期产生的热能仅为恒定电场法的一半。因此,恒定电场法具有消除湍流快、总热能低的特点,但周期场法由于电场断续式的施加,更有利于减小热的持续积累对心肌的损伤。
- 赵会晶王志恒唐永洪席光
- 关键词：早期后除极除颤计算机仿真
- 基于钙钟的窦房结二维组织建模及定量分析
- 2016年
- 窦房结钙、膜钟控制自律性的新机制为揭示窦性心律失常提供了帮助,但目前钙钟动力学模型仅处于单细胞水平。本文构建了窦房结中心和边缘的单细胞模型,并按照指数形式改变中心到边缘细胞的膜电容、大小、电导及细胞间偶联电导,根据解剖结构构建了窦房结和心房二维非匀质模型。采用五点差分和有限元方法分别对组织内细胞网格和边界进行处理。通过分段构造试函数的方法确定不规则的组织边界。定量实验表明,构建的中心和边缘单细胞模型的动作电位在幅度、周期、最大舒张期电位以及上升速率等方面符合相关报道。钙钟和膜钟对主导起搏位置和除极速率的作用以及房性早搏对窦房结自律性的影响等定量研究也符合相关实验研究。本模型为深入探讨钙、膜钟在窦房结自律性中的相对作用以及与心房电活动的关系提供了帮助,同时可为构建三维窦房结和心房器官模型等奠定基础。
- 张虹李蕊娟黄欣姚翠萍
- 关键词：窦房结
- 2相早期后除极对心肌电折返稳定性的影响被引量：1
- 2015年
- 心肌细胞在2相复极期发生的膜电位振荡称为2相早期后除极(EAD)。单细胞实验证实了2相EAD的存在,但对其在组织中的特点以及是否影响电稳定性和室速/室颤行为尚缺乏足够的认识。本研究基于Luo-Rudy单细胞离子通道数学模型,通过控制Ca2+电流最大电导和K+电流门控变量得到2相EAD。在此基础上构建具有局部EAD特征,包含400×400个细胞的二维非均质组织。采用算子分裂方法求解组织模型,利用垂直场法诱导电折返,形成螺旋波,观察EAD对螺旋波动力学斑图稳定性的影响。结果表明,2相EAD具有促使螺旋波失稳,发生断裂和破碎的作用,但是这种转化是否发生则与EAD区域面积和所在位置有关,中心处大小为20×20的EAD区域易于促使螺旋波的碎裂。多个EAD区域的存在可加剧螺旋波的失稳和破碎的程度,形成更为混沌的电压斑图。局部2相EAD引起的不应期离散性是促使螺旋波破碎的主要机制。因此,2相EAD具有促使室速向室颤转化的作用,临床上应预防2相EAD的出现,以降低由此引发的恶性心律失常。
- 张虹赵丹贺锐睿黄欣樊亚萍
- 关键词：早期后除极折返螺旋波
- 心肌细胞钾通道调控早期后除极的动力学机制被引量：1
- 2014年
- 针对心肌细胞动作电位复极期振荡的早期后除极(EAD)现象,研究了细胞模型Hopf分岔和EADs的关系以及钾离子通道的作用。在LR91模型中剔除快钠离子电流并引入控制钙和钾离子通道时常数的控制因子形成子系统模型,分离出模型中不同时间尺度的变量,将跨膜电势、钙离子通道激活及失活门控变量视为快变量构成三变量快子系统,慢变量钾离子通道门控参数视为其分岔参数分析膜电位与快子系统稳定性的关系。计算机仿真结果表明,随着钾离子通道门控变量时常数的增大,膜电位越来越接近快子系统的吸引域和Hopf分岔点。当时常数增大到6倍时动作电位时程延长至1 060ms并开始出现膜电位的振荡,时常数增大到15倍时电位振荡个数增加至15,说明快子系统的Hopf分岔导致了钾通道门控作用下EAD的诱发。
- 张虹赵丹李蕊娟
- 关键词：钾离子通道早期后除极HOPF分岔动作电位
- GPU加速窦房结计算机仿真的实现及优化被引量：1
- 2014年
- 针对窦房结电生理计算机仿真运算量巨大、耗时长的问题,提出了基于高性能图形处理单元(GPU)实现并行计算及优化的方法。首先考虑窦房结细胞中央和边缘的差异,构建了一维非匀质窦房结组织模型;利用算子分裂方法使模型的解算任务具备并行性。根据具体解算过程提出了三种并行化策略,并对其中耗时最短的策略从线程块设置、数据交换频率以及存储模式等方面进行了进一步优化。结果表明:对于500个细胞的仿真,CUDA程序较串行程序的执行时间下降了60%,进一步优化后,CUDA程序的执行时间可下降84%;窦房结组织越大,GPU的加速效果越明显。结果验证了GPU加速解算方法可显著提高窦房结模型的解算速度,降低实际执行时间。
- 张虹郑霄赵丹
- 关键词：图形处理单元并行计算窦房结计算机仿真
- 三维不规则窦房结电生理模型的建立及其图形实现
- 2017年
- 针对窦房结三维电生理建模复杂、仿真运算量大等问题,提出了一种有效的解决方法。首先利用建模软件建立右心房三维不规则立体模型,再利用网格划分软件剖分为四面体网格,最后根据网格的位置赋予窦房结和心房细胞属性建立电生理模型。数值解算时采用算子分裂法和有限体积法,分别对反应-扩散方程和单纯描述电扩布的微分方程进行了处理,同时利用高性能图形处理单元(GPU)在CUDA(compute unified device architecture)编程环境下实现程序的并行加速。另外,从减少CPU和GPU间的数据交换频率、参量存储方式等多方面对程序加以优化。计算结果表明,所建模型无论是单细胞动作电位还是膜电位的传导均符合正常的电生理特征。通过与串行程序及基于4核8线程CPU编写的共享内存式OpenMP并行程序进行比较,基于GPU的CUDA程序可将运行耗时减少90%以上,CPU和GPU间的数据交换仅占总耗时的3%,且组织模型越大,网格划分越细致,GPU的加速效果愈显著。
- 张虹刘袁刘炀金印彬
- 关键词：图形处理单元并行计算窦房结有限体积法
