歐陽(yáng)昭連 ，張婷，徐東紫，樊瑜波

0 簡(jiǎn)介

心房顫動(dòng)（AF）是臨床最常見(jiàn)的心律失常，可顯著增加腦卒中的危險(xiǎn)，并導(dǎo)致室性心動(dòng)過(guò)速，從而影響心臟的泵血功能。當(dāng)AF發(fā)生時(shí)，心房率可以達(dá)到每分鐘400～600次。AF的發(fā)病率隨年齡增加而增加[1-2]，50歲以上人群的發(fā)病率為0.5%，80～90歲人群則增加至18%[3]。

模擬研究顯示在正常竇性心律中，不同的傳導(dǎo)通路對(duì)雙向傳導(dǎo)模式有很大的影響，實(shí)驗(yàn)也表明不同的傳導(dǎo)通路可能參與AF期間的雙向傳導(dǎo)。目前多數(shù)研究集中在由于細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)特性或者電生理和解剖異質(zhì)性導(dǎo)致的折返波發(fā)生和斷裂的研究[1-2]，但關(guān)于不同的傳導(dǎo)通路是否影響心房顫動(dòng)的發(fā)生和維持的研究相對(duì)較少。

以心房模型為基礎(chǔ)，通過(guò)建模模擬研究不同的傳導(dǎo)通路是否影響AF的發(fā)生和維持，對(duì)于AF后續(xù)消融方案的制定具有重要意義。

1 方法

1.1 建立患者心房仿真模型

采集臨床心房顫動(dòng)患者M(jìn)RI數(shù)據(jù)，共112張圖片，使用這份MRI圖像重建人類心房解剖模型。根據(jù)軟件的圖片質(zhì)量要求，采集的原始MRI圖像：分辨率為512×400像素，空間分辨率為0.625×0.625×0.9 mm3。

1.2 圖像處理和建立雙相傳導(dǎo)模型

使用商業(yè)軟件ScanIP（美國(guó)加利福尼亞洛杉磯Simple ware）進(jìn)行初步重建后，進(jìn)行人工干預(yù)提高模擬精度。分割雙壁，在左右心房隨機(jī)選擇一些組織來(lái)代表AF中的纖維化部分。

為明確不同傳導(dǎo)通路對(duì)AF的影響，首先在模型中建立卵圓窩緣（LFO）和冠狀竇（CS），在此基礎(chǔ)上制作4種不同的心房雙相傳導(dǎo)模型，分別為：① 僅通過(guò)LFO的雙向傳導(dǎo)模型；② 僅通過(guò)CS的雙向傳導(dǎo)模型；③ 通過(guò)LFO和CS的雙向傳導(dǎo)模型；④沒(méi)有雙向傳導(dǎo)的模型。

1.3 精確模擬心房非纖維化和纖維化組織

為精確模擬，需要確定心房顫動(dòng)中非纖維化組織的代表，本次模擬采用基于COURTEMANCHE等[4]開(kāi)發(fā)的模型進(jìn)行改進(jìn)后的人類心房細(xì)胞模型來(lái)代表非纖維化組織。內(nèi)向整流K+電流的最大電導(dǎo)變?yōu)榕c參考文獻(xiàn)[5]一致的0.27 nS/pF，而不是COURTEMANCHE模型中的原始值0.09 nS/pF。房顫纖維化組織，按照參考文獻(xiàn)[6]中公布的方法，改變了內(nèi)向整流鉀離子流[IK1]、L型鈣離子流[ICaL]和鈉離子流。

1.4 計(jì)算方法

本模擬是在曙光TC4000L服務(wù)器上進(jìn)行的，其硬件架構(gòu)是對(duì)稱的多處理器共享內(nèi)存，包含一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)和10個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)包含兩個(gè)Intel Xeon 5335處理器、4 GB內(nèi)存和160 GB硬盤(pán)?？偟睦碚撚?jì)算能力高達(dá)184 Gflops。使用MPI來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信。

通常使用單域方程來(lái)模擬興奮的雙向傳導(dǎo)，如下式[7]所示：

其中Sν是細(xì)胞的表面積與體積之比（μm-1），Cm是比電容（pF），Gi是細(xì)胞內(nèi)電導(dǎo)率（ms/cm），Vm是跨膜電位（mV），Iapplied是胯膜電流密度，Iion是所有跨膜離子電流的總和（pA/pF）。

在模擬中，設(shè)定非纖維化組織的電導(dǎo)率為0.06 ms/cm，纖維化組織的電導(dǎo)率為0.02 ms/cm。以前所列的方程是基于顯式歐拉方法求解的，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 ms。

1.5 模擬方案

使用異位病灶起搏方案來(lái)誘發(fā)AF。房顫模型創(chuàng)建和模擬結(jié)果見(jiàn)圖1。

白色代表正常組織，灰色代表纖維化組織。圖(c)和(d)顯示在模型中模擬AF的激活標(biāo)測(cè)圖，一個(gè)折返在左心房后壁，另一個(gè)在右心房游離壁。圖(c)和(d)中的白色箭頭表示電流的傳導(dǎo)方向。

圖1 房顫模型創(chuàng)建和模擬結(jié)果Fig.1 AF model creation and simulation results

刺激方案：在竇房結(jié)給予10 mV的電壓刺激1 ms。400 ms后，以20 mV持續(xù)1 ms的電壓刺激向分布在左心房和右心房的3個(gè)所選位點(diǎn)傳遞一連串異位病灶（≤10）。

刺激終點(diǎn)：經(jīng)過(guò)足夠的時(shí)間后，平面波被分解成小波，如果折返可以持續(xù)5 s以上，則將該折返將視為AF。

2 結(jié)果和討論

在經(jīng)過(guò)LFO和CS雙向傳導(dǎo)模擬的情況下，模型中的3種刺激在整個(gè)5 s的模擬過(guò)程中誘發(fā)了2個(gè)不同的折返，分別為位于左心房后壁的折返1（圖(c)），在右心房游離壁的折返2（圖1(d)）。

表1 4種不同傳導(dǎo)通路的模擬結(jié)果Tab.1 Simulation results of 4 diあerent conduction pathways

在僅通過(guò)LFO進(jìn)行雙向傳導(dǎo)模擬的案例中，誘發(fā)了與LFO和CS案例相同的折返。但是對(duì)于僅通過(guò)CS傳導(dǎo)和LFO和CS都不能導(dǎo)電的兩個(gè)案例，一個(gè)刺激位點(diǎn)誘發(fā)了僅持續(xù)2個(gè)周期就終止的非持續(xù)折返。另外兩個(gè)位點(diǎn)誘發(fā)了與之前描述的兩個(gè)案例相同的折返，即通過(guò)LFO和CS的雙向傳導(dǎo)模擬和僅通過(guò)LFO的雙向傳導(dǎo)模擬。

本研究小組此前的模擬顯示，在正常的竇性心律中，不同的傳導(dǎo)通路對(duì)雙向傳導(dǎo)模式（如總的激動(dòng)時(shí)間、最近的激活部位）以及整體的傳導(dǎo)模式等有很大的影響[8]。其他組的實(shí)驗(yàn)表明，不同的傳導(dǎo)通路可能參與房顫過(guò)程中的雙向傳導(dǎo)[9]，傳導(dǎo)通路可以概括為巴克曼氏束（BB）、卵圓窩緣（LFO）和冠狀竇（CS）。在病理狀態(tài)下，BB傳導(dǎo)的比例從67%顯著下降至54%，并且有報(bào)道顯示改變的和替代的傳導(dǎo)通路可能會(huì)促成AF的發(fā)生[9]。我們的模擬結(jié)果顯示，這些傳導(dǎo)通路在折返的發(fā)生和維持中起的作用較小，對(duì)此可能的解釋是，我們的模擬中誘發(fā)的所有折返都是局灶驅(qū)動(dòng)并且是由纖維化來(lái)維持的。

3 結(jié)論

基于此前研究基礎(chǔ)，我們提出了一個(gè)模擬了纖維化心房組織的計(jì)算機(jī)仿真模型，用于研究不同的雙向傳導(dǎo)通路對(duì)基于人類心房模型的心房顫動(dòng)的發(fā)生和維持的影響。模擬結(jié)果顯示，在四個(gè)方案中誘發(fā)的整體折返非常相似，盡管在其中兩個(gè)方案中的一個(gè)位點(diǎn)誘發(fā)了非持續(xù)的折返。研究顯示，不同于正常竇性心律下的影響模式，不同雙向傳導(dǎo)通路可能對(duì)AF的發(fā)生和維護(hù)的影響較小。