基于心房模拟的四种不同传导通路对房颤发生和维护影响研究

欧阳昭连 ，张婷，徐东紫，樊瑜波

0 简介

心房颤动（AF）是临床最常见的心律失常，可显著增加脑卒中的危险，并导致室性心动过速，从而影响心脏的泵血功能。当AF发生时，心房率可以达到每分钟400～600次。AF的发病率随年龄增加而增加[1-2]，50岁以上人群的发病率为0.5%，80～90岁人群则增加至18%[3]。

模拟研究显示在正常窦性心律中，不同的传导通路对双向传导模式有很大的影响，实验也表明不同的传导通路可能参与AF期间的双向传导。目前多数研究集中在由于细胞的动力学特性或者电生理和解剖异质性导致的折返波发生和断裂的研究[1-2]，但关于不同的传导通路是否影响心房颤动的发生和维持的研究相对较少。

以心房模型为基础，通过建模模拟研究不同的传导通路是否影响AF的发生和维持，对于AF后续消融方案的制定具有重要意义。

1 方法

1.1 建立患者心房仿真模型

采集临床心房颤动患者MRI数据，共112张图片，使用这份MRI图像重建人类心房解剖模型。根据软件的图片质量要求，采集的原始MRI图像：分辨率为512×400像素，空间分辨率为0.625×0.625×0.9 mm3。

1.2 图像处理和建立双相传导模型

使用商业软件ScanIP（美国加利福尼亚洛杉矶Simple ware）进行初步重建后，进行人工干预提高模拟精度。分割双壁，在左右心房随机选择一些组织来代表AF中的纤维化部分。

为明确不同传导通路对AF的影响，首先在模型中建立卵圆窝缘（LFO）和冠状窦（CS），在此基础上制作4种不同的心房双相传导模型，分别为：① 仅通过LFO的双向传导模型；② 仅通过CS的双向传导模型；③ 通过LFO和CS的双向传导模型；④没有双向传导的模型。

1.3 精确模拟心房非纤维化和纤维化组织

为精确模拟，需要确定心房颤动中非纤维化组织的代表，本次模拟采用基于COURTEMANCHE等[4]开发的模型进行改进后的人类心房细胞模型来代表非纤维化组织。内向整流K+电流的最大电导变为与参考文献[5]一致的0.27 nS/pF，而不是COURTEMANCHE模型中的原始值0.09 nS/pF。房颤纤维化组织，按照参考文献[6]中公布的方法，改变了内向整流钾离子流[IK1]、L型钙离子流[ICaL]和钠离子流。

1.4 计算方法

本模拟是在曙光TC4000L服务器上进行的，其硬件架构是对称的多处理器共享内存，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Intel Xeon 5335处理器、4 GB内存和160 GB硬盘。总的理论计算能力高达184 Gflops。使用MPI来实现节点之间的通信。

通常使用单域方程来模拟兴奋的双向传导，如下式[7]所示：

其中Sν是细胞的表面积与体积之比（μm-1），Cm是比电容（pF），Gi是细胞内电导率（ms/cm），Vm是跨膜电位（mV），Iapplied是胯膜电流密度，Iion是所有跨膜离子电流的总和（pA/pF）。

在模拟中，设定非纤维化组织的电导率为0.06 ms/cm，纤维化组织的电导率为0.02 ms/cm。以前所列的方程是基于显式欧拉方法求解的，时间步长为0.01 ms。

1.5 模拟方案

使用异位病灶起搏方案来诱发AF。房颤模型创建和模拟结果见图1。

白色代表正常组织，灰色代表纤维化组织。图(c)和(d)显示在模型中模拟AF的激活标测图，一个折返在左心房后壁，另一个在右心房游离壁。图(c)和(d)中的白色箭头表示电流的传导方向。

图1 房颤模型创建和模拟结果Fig.1 AF model creation and simulation results

刺激方案：在窦房结给予10 mV的电压刺激1 ms。400 ms后，以20 mV持续1 ms的电压刺激向分布在左心房和右心房的3个所选位点传递一连串异位病灶（≤10）。

刺激终点：经过足够的时间后，平面波被分解成小波，如果折返可以持续5 s以上，则将该折返将视为AF。

2 结果和讨论

在经过LFO和CS双向传导模拟的情况下，模型中的3种刺激在整个5 s的模拟过程中诱发了2个不同的折返，分别为位于左心房后壁的折返1（图(c)），在右心房游离壁的折返2（图1(d)）。

表1 4种不同传导通路的模拟结果Tab.1 Simulation results of 4 diあerent conduction pathways

在仅通过LFO进行双向传导模拟的案例中，诱发了与LFO和CS案例相同的折返。但是对于仅通过CS传导和LFO和CS都不能导电的两个案例，一个刺激位点诱发了仅持续2个周期就终止的非持续折返。另外两个位点诱发了与之前描述的两个案例相同的折返，即通过LFO和CS的双向传导模拟和仅通过LFO的双向传导模拟。

本研究小组此前的模拟显示，在正常的窦性心律中，不同的传导通路对双向传导模式（如总的激动时间、最近的激活部位）以及整体的传导模式等有很大的影响[8]。其他组的实验表明，不同的传导通路可能参与房颤过程中的双向传导[9]，传导通路可以概括为巴克曼氏束（BB）、卵圆窝缘（LFO）和冠状窦（CS）。在病理状态下，BB传导的比例从67%显著下降至54%，并且有报道显示改变的和替代的传导通路可能会促成AF的发生[9]。我们的模拟结果显示，这些传导通路在折返的发生和维持中起的作用较小，对此可能的解释是，我们的模拟中诱发的所有折返都是局灶驱动并且是由纤维化来维持的。

3 结论

基于此前研究基础，我们提出了一个模拟了纤维化心房组织的计算机仿真模型，用于研究不同的双向传导通路对基于人类心房模型的心房颤动的发生和维持的影响。模拟结果显示，在四个方案中诱发的整体折返非常相似，尽管在其中两个方案中的一个位点诱发了非持续的折返。研究显示，不同于正常窦性心律下的影响模式，不同双向传导通路可能对AF的发生和维护的影响较小。