文摘
许多心脏解剖模型已经开发研究人类心脏的电生理特性。然而,没有一个包括整个人类心脏的几何。在这项研究中,一个解剖人类心脏的详细数学模型是首先从计算机断层扫描图像重建。在重建模型中,心房由心房肌,窦房结,冠terminalis,齿形的肌肉,巴赫曼的包,intercaval包,卵圆窝缘。房室结包括房室结和房室环,和心室室的肌肉,他的包,包分支,和浦肯野网络。心外膜和心室心内膜肌纤维方向和一层心房肌纤维方向被测量。他们使用线性插值计算技术和最小距离算法,分别。我们所知,这是第一次雕刻精细模型与相应的实验测定人类心脏纤维取向。此外,整个心脏兴奋传播模拟使用传感器模型。模拟正常激活序列同意发表的实验结果。
1。介绍
心脏建模可以定量研究心脏疾病的生理和病理机制,如心律失常、心房、心室纤维性颤动,因此,以帮助改善他们的诊断和治疗。这些开发的模型还可以用于医学教学(1]。在过去的几十年里,大量的研究已经完成心脏建模,从基因到整个器官(2- - - - - -4]。用于建模的心从狗主要是5,6,兔子7- - - - - -9],老鼠[10)、猪(11),或人类3,12- - - - - -17]。
数学建模的心脏解剖是心脏机电模拟的先决条件。模拟心脏的主要功能,包括心脏节律(18],力学[19- - - - - -21),血液动力学(22),固耦合,能量代谢23),和神经控制24),只能通过详细的心脏结构信息。需要强调,这些属性是相互关联的,任何一个属性的变化可能会影响他人,使虚拟心脏模型复杂。因此,充分考虑心脏的解剖结构是至关重要的。
构造了数学人类心脏模型研究其电生理特性使用计算机断层扫描和其他现代医学成像方法25,26]。然而,这些计算tomography-based心脏模型的空间分辨率不是很高(12,27]。这是1毫米为模型由Lorange Gulrajani,和最终的模型包含大约250,000分。模型由Weixue et al。27)包含大约65000心肌离散单元空间分辨率为1.5毫米。此外,这两个模型包括传导系统。之后,人类心房模型都是由核磁共振图像(16),其中包括心房传导系统(14]。人类心室模型与纤维方向和层状结构是由候麦et al。17梗死后使用。此外,可见人类项目提供了一个有用的数据来源详细的人类心脏解剖模型(15]。然而,没有一个完整的几何描述的上述模型的人类心脏,包括心房和心室,传导系统和纤维取向。
传导系统电子传播起着重要的作用。它包含圣,房通路、AVN和脑室传导通路。传导系统异常可能导致心律失常。然而,实际上很难区分周围组织的传导系统基于当前计算层析或MRI图像。早期的心脏模型主要集中在心脏的几何不考虑其传导系统(28- - - - - -30.]。最近,研究人员试图构建心房传导系统(14,31日)以及与His-Purkinje系统心室传导系统(32]。然而,没有以前公布的模型包含两个心房和心室传导系统。
肌纤维方向也起着重要的作用在电导和机械收缩。许多实验程序测量肌纤维方向。在早期,测量通常是限制成小区域。全厚块后从不同网站的心脏,他们切成串行片从心外膜心内膜。纤维取向是测量从每个片33- - - - - -36]。在90年代早期,定量方法是衡量整个心室纤维开发的方向(5),已广泛应用的其他研究[6,7,11]。但是,这种方法仍然很费时。先进的成像技术,包括自动共焦显微镜、偏光显微镜和双光子组织血细胞计数,梗死后,使纤维取向和层状结构的测量可能(37- - - - - -39]。然而,大多数这些方法只应用于测量心室,心房。
为了验证的功能解剖模型,心脏动作电位(AP)和心脏电生理学的仿真模拟,与实验数据验证。直到现在,从不同物种不同的AP模型已经开发出来。他们主要是基于Hodgkin-Huxley (HH)方程,可用于计算离子膜的流动,因此计算膜电位的变化。也有很多人类AP模型,其中包括心房肌肉(40- - - - - -44),圣31日,45[],浦肯野纤维46,47),和心室48- - - - - -51]。在我们的模拟,因为新开发的模型更耗时的和健壮的三维模拟,常用的CRN模型(41)和十Tusscher模型(49)被应用于心房和心室细胞。
对于模拟心脏电生理学,反应扩散方程常用的结合解剖和AP模型。建模的电传导早期通常是基于细胞自动机(2,3,27,52,53]。之后,计算能力的提高,离子模型已经逐渐应用于小规模模拟励磁传导。1978年,东介绍了“bidomain模式”来模拟励磁的传播54),然而,bidomain模型需要矩阵求逆的主要维度,和非常大的计算能力。因此,传感器模型是常用的55- - - - - -59因为只有细胞膜电位的变化计算。研究也表明,没有明显的差异之间的计算励磁序列bidomain单畴结构模型和模型(60]。
本研究的目的是构建整个人类心脏模型与详细的解剖结构包含心房和心室传导系统和纤维取向。基于构造心脏模型,人类AP模型将分配给不同地区的心脏。最后,正常的电子传播模拟,与实验数据相比。
2。材料和方法
2.1。Cardiome-CN人类心脏解剖模型
2.1.1。数据采集
确认脑死亡后,心脏标本(数字1(一),1 (b))从一个健康的成年男性与一个悲剧性的事故是捐赠给珠江医院、南方医科大学、中国公关,他的家人。他们给的书面同意。研究心脏的使用目的是南方医科大学的伦理委员会批准。国家心脏研究规章制度严格执行。心脏的预处理和图像数据采集进行了南方医科大学,和后续工作包括图像处理、三维(3 d)心脏解剖重建完成了浙江大学。
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首先,心包小心地剥去与大血管和删除(主动脉和肺动脉)保留灌注。氧化铅和明胶溶液(凝胶和水的比例是5%;铅溶液和水的比例是25%)被注入心脏室通过主动脉61年]。溶液冷却后,心脏标本是使用螺旋CT扫描(飞利浦/辉煌64)。原始CT图像的分辨率为512像素512像素,和图像的总数是531的空间分辨率(图1)。
2.1.2。图像处理程序的建设人类心脏模型
商业软件ScanIP (Simpleware Inc .)被用来分割和重建人类心脏的解剖与一些手动干预达到最大精度。处理过程简要总结如下。(1)对比调整:在图可以看出2(一个)、心肌之间的反差和明胶的心腔内没有明显的原始CT图像。对比调整后,他们可以很明显(图2 (b))。(2)图像裁剪:由于大部分原始CT图像的背景,他们裁剪定义感兴趣的领域,减少图像大小(图2 (c))。图像裁剪后,减少了所需的计算机内存,提高了重建速度。(3)轮廓提取:阈值分割是首先应用于裁剪图像获得心肌(图2 (d))。不幸的是,一些nonmyocardial组织被错误包括在内。为了克服这个限制,手动执行检查来排除这些nonmyocardial组织。结缔组织与心内膜,如乳突肌、骨小梁,等等,也被排除在外。区域增长的方法被应用到生成一个明确的心肌图像,如图2 (e)。(4)图像重建:以上图像处理过程重复所有的CT图像重建的心脏表面网格(数字2 (f)和2 (g))。
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2.2。建设Cardiome-CN人类心脏传导系统的模型
模拟软件(实现公司)被用来构建基于先验知识的心脏传导系统的人类心脏解剖。传导系统在我们的模型中包含窦房结(SAN),冠terminalis,齿形的肌肉(PM),巴赫曼的包(BB) intercaval包,房室结(AVN),房室环(AVR),他的包,包分支,和浦肯野网络。作为一个例子,详细过程构造脊terminalis总结如下。(1)从分割CT图像重建三维心脏模型:在这个步骤中,操纵3 d模型体素的直接反映了在2 d图像相应像素。然而,在这个阶段,从心脏传导系统不是杰出的墙,如图3(一个)。(2)编辑CT图像交互:单独的传导系统,重建模型描述了基于先验知识的人类心脏的解剖结构。心脏模型扩展的双侧墙的右边的入口优越caval静脉入口的右侧劣质caval静脉(62年,63年]。的体素的右侧优越caval静脉和向下的右侧劣质caval静脉被选中,如图3 (b)。(3)项目2 d图像:压后脊terminalis得到,他们从三维模型中删除(白色的条带图3 (c))。相应的2 d图像像素也删除,标有绿色的矩形图3 (c)。(4)编辑2 d图像:一个图像腐蚀操作进行定位冠terminalis心外膜下,和一个膨胀操作被用来传播冠terminalis心内膜。最终得到如图3 d模型3 (d)。蓝色的像素上的形象图3 (d)显示的横断面图像脊terminalis。(5)分类和可视化:其他传导束也获得类似的重复上述4个步骤。
(一)
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2.3。建设的纤维取向Cardiome-CN人类心脏模型
2.3.1。纤维取向收购
为了获得纤维取向,沿着纤维取向有些心房肌剥落后CT扫描(图4(一))。心脏是由三维激光扫描仪扫描(RealScan USB扫描仪型号200)空间分辨率为0.01毫米。Geomagic软件(Geomagic公司)被用来跟踪的纤维取向64年]。如图4 (b),不同的曲线代表纤维取向的坐标信息。注册方法被应用于获得三层纤维取向在同一坐标。这个方法被描述的细节在我们之前出版65年]。
(一)
(b)
2.3.2。心室纤维取向的建设
注册后,心内膜和心外膜纤维的取向有相同的坐标。图5 (b)显示所有纤维取向的点测量数据。这些数据被用来构造整个心室纤维取向。建设步骤总结如下。(1)确定左和右心室的重心(红线图5(一个))。(2)计算每个测试点的角度:重心是起源,z轴和右边y轴上的好处。图5 (c)显示所有的点在一个层的角度,用不同的颜色代表不同的天使在0°-360°的学位。(3)计算每个点的角度方向上从顶点到心脏的基础:对于每一个层,分有纤维取向心内膜和心外膜,分别用黄色和绿色的图5 (d)。然后计算每个点的角度在步骤2中所述。(4)与心内膜和心外膜纤维角度与相应的CT数据为每层(图5 (e)):线性插值被用来计算上的所有点的纤维取向心外膜和心内膜层,如图5 (f)。(5)计算心外膜之间的纤维取向和心内膜心肌壁,如图5 (g)。(6)按照步骤2 - 5,纤维角度获得的所有层。图5 (h)显示了纤维角度在冠状面(xz飞机)。
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2.3.3。心房纤维取向的建设
由于心房myoarchitecture的复杂性,其纤维取向没有量化。发布的定性研究得出结论,右心房纤维取向是斜对齐,在不同层次有不同的规律。
在这项研究中,只有心房心外膜肌纤维方向的测量。心房纤维取向测量数据,插值技术应用于整个心房。建设步骤总结如下。(1)计算每个点的倾向和横向角度测量纤维取向的心房。(2)点没有测量纤维取向的倾向和横向角度从他们最亲密点测量纤维取向。
2.4。细胞电生理模型
心房圣,细胞模型由钱德勒等人使用(45]。为冠terminalis,点,BB,心房的肌肉工作,开发的模型Courtemanche et al。41]。我们最近发表的详细描述被研究[66年]。
模拟人类AVN细胞是困难的,部分因为没有发表的研究中,没有可用的人类AVN细胞生理参数。在这项研究中,心房的修改AP模型被用来代表AVN细胞模型的AVN传导时间在生理范围内(41]。也没有现有的AP模型他的包,包的分支。据报道,浦肯野细胞是主要的细胞在他的包,尤其是左束支(67年,68年]。因此,人类的浦肯野细胞AP模型开发的(46)是用来表示的AP模型包,左和右束分支。心室的细胞模型由十Tusscher等人使用(49,69年]。
2.5。数值模拟兴奋传导
单畴结构方程被用来模拟励磁传导,即表示为(70年]: 在哪里细胞的表面体积比(μ米−1),是特定的电容(pF),是大部分细胞内电导率(女士/厘米),是跨膜电位(mV),是跨膜刺激电流密度,是跨膜离子电流的总和(pA / pF)。
在这项研究中,采用有限差分法来计算(1)由于其简单性和并行计算的适用性。时间步长为0.01毫秒,心房肌肉工作的各向异性是设置为1.3:1 (66年),传导系统设置为9:1 (31日),和室工作的肌肉被设置为2:1 (55,71年]。
仿真在曙光TC4000L服务器上,执行了对称多处理器共享内存和包含一个管理节点和10个计算节点。每个计算节点包含两个英特尔至强5335处理器,4 G内存和160 G硬盘。总184 Gflops理论计算能力。MPICH2是用于实现计算节点之间的通信(66年]。
3所示。结果
3.1。重建人类心脏的解剖模型
重建人类心脏解剖模型,包括心室和心房,如图6 (b)。从分割的图像(图6(一)),可以看出,左心室壁厚得多比右心室(平均值:8 - 10毫米和2 - 4毫米),和心室不同层次有不同的厚度。的壁厚比右心室心房略薄。
(一)
(b)
3.2。重建Cardiome-CN心脏传导系统的模型
最后的传导系统包含以下。(1)圣(图7 (b)):包括中心和外围部分。它位于右心房的优越的海报侧壁的大小发表的实验数据匹配的(56- - - - - -59]。(2)AVN(图7 (e)):包括快速传导区域,缓慢传导地区,中部地区(57,72年- - - - - -78年]。缓慢传导区域类似于下节点扩展(78年,79年),快速传导区域类似于过渡组织,中部地区是类似于紧凑的节点。在我们的模型中,AVN的大小。(3)冠terminalis和PM(图7 (b)):没有量化的数据冠terminalis点,在这项研究中,他们重建从定性描述的位置和解剖结构62年,63年]。的脊terminalis扩展于双侧墙左边的入口优越caval静脉入口的右边的劣质caval静脉。点是平行排列的肌肉隆起肢墙和右心房后壁的62年]。(4)Intercaval包(图7 (b)):一个包连接的起源冠terminalis FO的前上的边缘,和其他连接的起源冠terminalis和CS。已报告的细节在我们之前出版66年]。(5)BB(图7 (b)):BB的长度是14.7毫米,前后的和总内部的最大直径4.5毫米和3.7毫米62年,80年- - - - - -82年]。(6)他的包,左和右束悠闲,和浦肯野纤维系统(图7 (e)):他们由公布的数据68年,83年- - - - - -88年]。左束支从房室束的分岔,下降沿室间隔约1.5厘米,然后分成三个分支。右束支从房室束的分岔,沿膜性室间隔的一部分,向下移动和传球和视神经乳头状肌的主持人乐队。在达到prepapillary肌肉的根源,它分为三个分支。浦肯野纤维进入心室心肌形成subendocardial网络。主要位于室间隔的下部,顶点,乳头肌,和免费的墙。在我们的模型中,浦肯野纤维系统,而不是他的包,左和右包休闲,进行脑室周围肌肉的兴奋。
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3.3。重建Cardiome-CN心脏模型的纤维取向
在心室心外膜(见第一个从左边两幅图像在图8(一个)),纤维从房室结和间接扩展到心尖钝的边缘。附近的房室结区,面向纵向纤维。当穿越钝的边缘,靠近后沟,纤维取向是横向的。纤维取向的右心室的表面隔膜几乎是圆周直到穿过锋利的边缘。当接近出口的右心室,它是垂直于这个平面。前室间沟的纤维取向不继续下去,但它形成一个角度。
(一)
(b)
(c)
中间层的前部和后部和侧墙的左心室纤维几乎是圆周(见图中间两个图像8(一个)),纤维在右心室的表面隔膜中间层也圆周。但是当穿越钝的边缘时,纤维取向有点斜,然后再次改变圆周在前壁。当接近出口的右心室,纤维变得陡峭的方向是纵向。不同与心室心外膜的交界地区,继续中间纤维层交界区域的左、右心室。
心内膜上的两张图片(见图8(一个)),纤维取向更斜前壁后壁。总体来看,从顶点到基地的心脏,心外膜纤维排列顺时针和逆时针心内膜纤维。从心外膜心内膜,纤维取向不断变化,但在不同部位不一致。
图8 (b)给出了比较我们的结果和这些从其他组。第一行图8 (b)是一个横截面的纤维取向从我们的模型,第二行是人类心室DTMRI发布的数据(8,55,89年),第三行是数据提取(55]。它清楚地表明,我们的结果是与DIMRI数据非常相似。图8 (c)显示了构建截面的纤维取向的心室,倾向和横向角度。
图9显示了心房解剖模型和纤维取向。的心房心室纤维取向要复杂得多。后,右心房的侧壁,主要的纤维方向是纵向排列。纤维结地区开始的上腔静脉和延长房室结。因为左心房,肺静脉的纤维取向不是常规的右心房。后和左心房后壁的上部,纤维取向倾向,更倾向上后壁。左心房的侧壁上从左边优越肺静脉的顶端左心耳,也倾向。顶部的左心房,从左右肺静脉可倾斜的左心房附件和房间隔,分别是融合前壁的心房。数据9(一个)和9 (b)纤维取向的心房解剖模型,和图吗9 (c)是最后的心房纤维取向的心房的选层模型;每一层是由倾斜和横向角度。
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3.4。仿真结果的心脏电传播
人类心脏的励磁序列图所示10。起搏器在我们的模型的频率为1.19赫兹。激励从圣开始,到BB和冠terminalis在大约10 ms后右心房,并进行通过FP AV结,SP,冠terminalis。APG很快进行。后约50左女士房间隔卵圆窝被激活。
(一)
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当前起源于圣也进行激励通过BB左心房。左心房,激发启动从BB附近的区域,然后进行APG通过正确的点和后右心房的一部分,结束后下的左心房。完整的激活时间是30 ms BB, 81 ms的右心房,左心房的79毫秒,109毫秒为整个心房。传导速度大约是115厘米/秒,76 cm / s, 125 cm / s,和107 cm / s冠terminalis,心房肌,点,分别和BB。
AVN励磁时进行,延迟约15 ms,到达他的包,左和右束,然后到浦肯野网络。第一个突破心内膜下隔约为136毫秒,然后激发进行心室通过浦肯野细胞网络。第一个切入点心外膜的前部和后部隔地区,这是符合临床测量(90年]。在左和右心室,最后激活区域后外侧的区域和肺动脉圆锥posterobasal区域。它发生在228 ms。传导速度的变化在不同的部分,以最慢的速度40 cm / s的在先端,约70厘米/秒在心脏的中间部分,大约80厘米/秒的上部靠近心室的基础。
4所示。讨论
4.1。纤维取向建模
心室和心房纤维取向的调查研究中。人类的心室纤维取向已被广泛研究的范围+ 60°~ 60°−,根据使用的不同种类(5,8,91年- - - - - -93年]。我们的结果与已发表(同意17,36,94年,95年]。此外,我们的研究结果定量地表明,纤维取向不均匀在同一层,还在不同的地方不同的心。它更倾向于肺动脉干孔附近的比中部和底部部分心室,心外膜的表面隔膜,左心室纤维比右心室陡峭的角度。
在现在的研究中,心房心外膜纤维取向的定量测量,结果表明,心房纤维取向一般不太正常的心室。右心房心外膜,纤维有一些模式,但在左心房,很不规则,因为肺静脉。我们的数据与其他实验数据是一致的62年,96年,97年]。
4.2。传导系统建模
详细的心脏传导系统构建在这个研究。很难区分不同的传导通路使用解剖或形态的方法。在我们的模型中,假定肌肉束之间存在的起源冠terminalis CS和佛,他们组成正常的心房肌,但高各向异性比值。两个通道的几何同意的一般描述实验数据(96年- - - - - -98年]。我们所知,这是第一个模型包含两个途径biatrial传导模拟。由于缺乏准确的实验数据,精确的几何仿真的两条途径不能获得,但我们的模拟表明,他们可以使心房传导模式更接近临床的数据(66年]。
最近,据报道,圣结构功能绝缘的心房结缔组织、脂肪和冠状动脉(99年]。它也被报道,心房心肌兴奋通过上级,中间,和/或劣质窦房传导通路。因此,在我们的模拟激励从外围细胞只进行脊terminalis,和两个节间的包应该是来自附近的圣。在另一个心房模拟(14,31日),圣能导电的心房周围的肌肉工作,因为圣被认为是不能脱离周围组织。
AVN的复杂性,其解剖学和形态学尚未完全了解。在我们的模型中,基于理论的双重AVN通路(78年,One hundred.- - - - - -102年),AVN分为三个部分:快和慢传导地区和中部地区。快速传导区域接收来自过渡细胞电励磁和传导缓慢地区接收电励磁的地峡。这些设置可能有一些差异与真正的解剖结构,但它使整个心脏建模变得可行。
许多模型构造模拟心室电传导,它们有不同的决议和施工方法也各不相同,但他们中的大多数是人为地描述基于先验知识的解剖结构103年,104年)或特殊算法(105年,106年]。心室传导His-Purkinje系统是很重要的,还有很多定性的解剖描述(84年- - - - - -88年,107年- - - - - -109年]。在我们的模型中,His-Purkinje系统人为的描述是基于先验知识。他和包分支与浦肯野分离网络,和浦肯野纤维相互连接。我们的模型也接近最近建造His-Purkinje兔子从宏观图像系统110年]。
4.3。兴奋传导建模
心房和心室的模拟励磁序列在我们的模型中也同意发表的实验数据(30.,111年]。在右心房壁传导速度不均匀;点的速度后外侧的墙壁是70到100厘米/秒,平均速度接近95 cm / s,这是0.68 - -1.03米/秒的范围内(112年]。嵴terminalis的速度是1.15米/秒,这也符合0.7 - -1.3 m / s的实验数据113年]。硫酸钾et al。111年)报道,总BB传导时间16个女士的女士,我们的结果是比平均值略短,但在范围之内。我们模拟的传导速度BB 95至150厘米/秒,平均速度是113厘米/秒;这是报告的范围内Dolber和软轴114年]。
De et al。115年)报道,左心房的持续时间传播和整个心房和分别女士。的实验数据111年)显示的激活时间和整个心房女士和女士,分别的结果(116年)是女士和分别女士。在我们的模拟中,总激活时间的左心房和整个心房是79毫秒,109毫秒,分别,这类似于这些实验数据。
心室的传导时间从发病的发病心室肌肉大约41女士,这是在范围之内女士(117年和接近另一个仿真结果32]。激发后隔心内膜,低电扩散到心室心外膜然后向上基地;整个心室肌肉的传导时间是92 ms,这是接近实验数据约100 ms (30.,117年和另一个模型研究118年]。心室肌的传导速度是0.7米/秒,接近0.6米/秒(119年]和下降的范围0.3 - -1.0米/秒(120年]。
5。限制
首先,乳突肌不能清楚的区分出心室肌。在右心室尤其明显,因此乳突的肌肉并不包括在我们的心脏模型。其次,我们的模型只包含心房心外膜纤维取向,由于心房壁太薄,心内膜纤维是复杂的。第三,美联社的AVN模型是基于人类心房模型。它可能不会有效地代表人类AVN细胞的生理参数,可能会影响仿真精度。此外,整个心脏传导系统的解剖学构造了基于先天心脏解剖知识,这可能会影响仿真。
6。结论
总之,人类的心脏模型与详细的解剖结构,传导系统和纤维取向已经建立。我们所知,这是第一次雕刻精细模型与相应的实验测定人类心脏纤维取向。不同的细胞AP模型已经分配给不同地区的心脏,和模拟正常激活序列同意发表的实验数据。这样的详细解剖心脏模型可以为未来的研究非常有用的低估影响心血管功能的机制及其生理和病理过程。
确认
这个项目是由973个国家支持基础研究和发展项目(2007 cb512100), 863年的高科技研发项目(2006 aa02z307),中国国家自然科学基金(81171421)和中国浙江省自然科学基金(Z1080300)。