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  • 【论文】 基于虚拟心脏的短QT综合征建模与分析

    作者:罗存金 关键词:生物计算 ; 虚拟心脏 ; 短QT综合征 ; 心律失常 ; 电生理建模与仿真 机构:哈尔滨工业大学 ; 哈尔滨工业大学 年份:2017
    摘要:心脏是人体的重要器官,近年来心脏病的研究取得了长足的发展,但是人们对心脏更深层次上的认识以及心脏病预防和治疗远没有达到理想地步。因此,为了更深入地研究目前仅靠生理实验手段无法有效解释的基因变异导致短QT综合征(short QT syndrome,SQTS)并诱发恶性心律失常的问题,本文利用计算机技术,建立虚拟心脏多尺度电生理模型,从微观心肌细胞到宏观心脏组织不同层级上开展研究,系统阐明基因变异导致SQTS并诱发恶性心律失常的发病机制以及建立药物筛选模型,筛选出特效药。本文的主要内容如下:首先,对基因变异导致SQTS并诱发恶性心律失常的发病机制进行了研究。基于基因变异、离子通道功能特性改变和临床心电图等相关生理实验数据,建立亚细胞和细胞级、跨壁纤维和组织级、三维器官级等多尺度人的心室SQTS病理模型,并基于各层级的生理特征指标,提出一种新的研究SQTS发病机制的定量分析方法。通过比对仿真数据和临床生理实验数据,揭示基因变异导致SQTS并诱发恶性心律失常的深层次原因,即由突变引起的钾电流增强导致心室细胞复极加快、动作电位时程和有效不应期缩短、心电图QT间期缩短和T波波形改变、易感窗增大、折返波更易被激发且持续时间延长、SQTS致心源性猝死的可能性增加。其次,对SQTS诱发室颤并维持电兴奋波高速传导的原因进行了研究。基于人的心室细胞模型和人的浦肯野氏纤维细胞模型,建立了人的浦肯野氏纤维-心室复合电传导系统模型。利用此模型探索SQTS诱发室颤的新的发病机制,验证了多子波的高速折返是室颤发生并维持的原因。仿真结果表明,当心跳频率加速到一定程度时,由于SQTS情况下动作电位时程和有效不应期的缩短,使得电兴奋波顺利地高速传导,这为SQTS患者产生持续地折返性心律失常这一临床现象提供理论解释。接着,对心肌组织固有的空间异质性(中间层细胞岛状分布)进行了研究。基于心肌组织光学成像数据,建立了心肌组织中间层岛状分布的人的心室组织模型。通过计算正常情况、SQTS情况下的电兴奋波传导以及相应的心电图,结果验证了心室壁是由心内膜细胞、中间层细胞以及心外膜细胞等三种类型的细胞组成的,以及验证了中间层心肌细胞呈现岛状分布的特点。与正常生理数据相比,在SQTS情况下岛状分布的心室组织更容易激发出折返波和维持折返,这说明了心肌组织固有的空间异质性增加了SQTS诱发恶性心律失常的风险。最后,对治疗SQTS的特效药进行了筛选。建立了药物作用集成模型,即通过计算药物阻断各个离子通道的比例进行集成,并定义了药物作用集成过程。仿真结果表明:(1)在已知临床药物胺碘酮和奎宁丁治疗效果的基础上,通过考察给药后虚拟心脏各层级指标和正常生理指标的相似性程度,并仿真出胺碘酮和奎宁丁治疗SQT1分型的动态过程,进一步验证了药物作用集成建模方法的正确性;(2)预测了抗疟药氯奎是治疗SQT3分型特效药的可能性,为今后的临床试验打下理论基础。本研究成果为SQTS患者的临床诊断和治疗以及抗心律失常药物筛选提供前期理论依据,建立的多尺度虚拟心脏模型及药物作用集成模型对于理解更普遍意义紊乱状态的心律失常和药物筛选也有很大价值。
  • 【期刊】 面向短QT综合征的药物作用建模与仿真研究

    刊名:生物化学与生物物理进展 作者:罗存金 ; 王宽全 ; 张恒贵 关键词:虚拟心脏 ; 计算心脏学 ; 建模与仿真 ; 短QT综合征 ; 基因突变 ; 普罗帕酮 机构:哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 ; 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 ; School ; Physicsand ; Astronomy ; University ; Manchester ; 深圳市太空科技南方研究院 年份:2017
    摘要:短QT综合征(short QT syndrome,SQTS)是以心电图QT间期、心室和心房不应期明显缩短为主要显性特征,并伴有晕厥、高发心源性猝死(sudden cardiac death,SCD)和恶性心律失常风险的一类遗传性心肌离子通道病.据目前资料信息,关于SQTS致病机理的报道比较多,而对SQTS药物治疗的报道罕见.为了揭示在SQTS下的药物作用,本文通过计算机仿真构建人体心室细胞和组织的药物作用模型,利用该模型,从亚细胞、细胞、组织三个尺度,模拟SQT1、SQT2和SQT3下的普罗帕酮药物作用过程,并仿真心电图的变化情况.仿真结果表明:在SQT1下普罗帕酮延长了动作电位时程(action potential duration,APD)和心电图QT间期,并降低T波幅值;相反,在SQT2和SQT3下普罗帕酮缩短了APD和QT间期.计算使用药物前后细胞间膜电压和APD空间离散度的变化,定量分析了普罗帕酮降低T波振幅的原因.总之,对SQT1,普罗帕酮有效;对SQT2和SQT3,普罗帕酮没有改变其致心律失常的危险.仿真结果为普罗帕酮用于临床治疗SQTS提供理论参考.
  • 【期刊】 面向短QT综合征的电生理建模与仿真研究进展

    刊名:电子学报 作者:罗存金 ; 王宽全 ; 袁永峰 ; 吕伟刚 ; Henggui Zhang 关键词:虚拟心脏 ; 计算心脏学 ; 建模与仿真 ; 短QT综合征 ; 基因突变 机构:哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 ; 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 ; 中国海洋大学教育技术系 ; 英国曼彻斯特大学物理与天文学院 年份:2015
    摘要:近年来,多物理尺度建模仿真心电动力学研究已经取得了显著进展.本文介绍当前心脏建模仿真领域中心肌细胞钾离子通道基因突变引起短QT综合征的研究情况.首先从Denis Noble多物理尺度划分的角度介绍了亚细胞与细胞级模型、心肌纤维与组织级模型、心脏器官级模型以及仿真心电图等数学模型,并从量化的角度来分析短QT综合征基因变异在细胞、组织、器官等多层面上对心电功能的影响;然后重点列出了三种短QT综合征亚型近期的研究成果;最后进一步探讨了面向短QT综合征的电生理建模与仿真的研究方向和应用前景.
  • 【期刊】 基于神经网络集成的DNA序列分类方法研究

    刊名:计算机仿真 作者:罗存金 ; 敖丽敏 关键词:神经网络集成 ; 分类 ; 特征提取 ; 生物信息 ; 数据挖掘 机构:东北电力大学信息工程学院 ; 东北电力大学信息工程学院 年份:2012
    摘要:研究DNA序列分类问题,针对DNA序列数据的特点和目前DNA序列分类精度低的问题,提出了一种基于神经网络集成的DNA序列分类方法。方法实现的第一步采用三种方法提取DNA序列特征,第二步采用附加动量对单个BP神经网络权值进行调整,加快网络的收敛速度,第三步对学习率进行自适应调整,减少迭代次数,第四步利用改进的BP神经网络模型对提取的每种特征分别进行训练分类,第五步神经网络集成决策DNA序列属于哪一类。经实验证明,利用改进方法比单个神经网络分类有更高的分类效率和正确率,具有一定的推广意义。
  • 【期刊】 大连港某酒店太阳能集中供热水工程的设计

    刊名:才智 作者:罗存金 关键词:能源 ; 太阳能热水系统 ; 辅助加热 机构:大连船舶配套产业园有限公司 ; 大连船舶配套产业园有限公司 年份:2009
    摘要:随着经济的发展和人民生活水平的不断提高,世界正面临着越来越大的能源压力,寻求低成本开发包括太阳能、风能在内的可再生能源利用的任务已十分迫切。本文通过介绍大连港某酒店太阳能热水工程的设计方案,阐述了太阳能集中热水供应系统的运行原理,总结了系统设计应注意的问题。