心脏电生理建模与仿真
简介
当前的心脏病研究主要集中在微观和宏观两个层次。微观上利用生理学实验，从基因、蛋白质、细胞层面开展研究；宏观上则依靠临床心电图和解剖结构来研究发病机制。本研究综合利用电生理数据、心脏解剖数据、临床心电图进行多尺度心脏电生理建模与仿真，系统模拟从微观到宏观的心电活动。基于这一模型，我们可以研究心律不齐等心脏疾病的发病机理，协助相关疾病的药物评价，研发新的治疗方法和设备。
研究方向
一、基因变异的数学建模与分子动力学-0D
根据最新发表的电生理实验数据，建立基因突变对离子通道电流影响的数学模型，研究基因突变对心肌细胞动作电位、宏观电生理活动的影响。
[1] Zhang H, et al. Repolarisation and vulnerability to re-entry in the human heart with short QT syndrome arising from KCNQ1 mutation—A simulation study[J]. Progress in Biophysics & Molecular Biology, 2008, 96(1–3):112-131.
[2] Clancy C, Rudy Y. Linking a genetic defect to its cellular phenotype in a cardiac arrhythmia[J]. Nature, 1999, 400(6744):566-9.
[3] Rudy Y, Silva JR. Computational biology in the study of cardiac ion channels and cell electrophysiology[J]. Quarterly Reviews of Biophysics, 2006, 39(1):57.
根据最新发表的生化数据，建立分子动力学模型，研究细胞信号调控对于心肌细胞电生理活动的影响。
[1] Amanfu R K, Saucerman J J. Modeling the effects of β1-adrenergic receptor blockers and polymorphisms on cardiac myocyte Ca2+ handling.[J]. Molecular Pharmacology, 2014, 86(2):222-30.
利用分子动力学(MD)，模拟离子通道蛋白的分子构象(molecular conformations)变化与通道开关动力学的关系，结合多尺度电生理模拟，以及其对动作电位(AP)、心电图(ECG)的影响。
[1] Jonathan R. Silva, et al. A multiscale model linking ion-channel molecular dynamics and electrostatics to the cardiac action potential[J]. PNAS, 2009, 106(27):11102.
二、心肌细胞模型-0D
-
细胞模型是整个仿真系统的基础，主要用一阶微分方程来描述动作电位随时间变化的过程。实验室负责人罗锦兴发表在心血管顶级期刊Circulation research(IF:13.96)上的Luo-Rudy模型，目前引用次数已超过3000，且已收录进入学术百科Scholarpedia。
[1] Luo C H, Rudy Y. A dynamic model of the cardiac ventricular action potential. I. Simulations of ionic currents and concentration changes.[J]. Circulation Research, 1994, 74(6):1097-113.
[2] Luo C H, Rudy Y. A dynamic model of the cardiac ventricular action potential. II. Afterdepolarizations, triggered activity, and potentiation[J]. Circulation research, 1994, 74(6): 1097-1113.
[3] Luo C H, Rudy Y. A model of the ventricular cardiac action potential. Depolarization, repolarization, and their interaction[J]. Circulation research, 1991, 68(6): 1501-1526.
[4] Ching-Hsing Luo, “Luo-Rudy Models”, Scholarpedia, October, 2011, 6(10):6220
[5] 更多细胞模型进展可参考：
http://rudylab.wustl.edu/index.html
http://www.scholarpedia.org/article/Models_of_cardiac_cell
The Luo-Rudy dynamic (LRd) model of the ventricular myocyte，1994
三、心肌纤维、组织、器官——1D、2D、3D
三维心脏模型包含上亿个计算细胞/计算单元，为保证数值计算精度，微分方程求解的时间步长不能过大。因此需要考虑大规模模拟过程中的并行计算问题，并选择合适的数值算法。
主要包括有限差分，有限体积，有限元等数值算法，GPU与Intel Xeon Phi编程，网格生成与优化。
本实验室设计的自适应步长动作电位模拟算法(CCL)：
Chen M H, Chen P Y, Luo C H. Quadratic adaptive algorithm for solving cardiac action potential models[J]. Computers in Biology & Medicine, 2016, 77:261-273.
个体化心脏研究：
Arevalo H J, et al. Arrhythmia risk stratification of patients after myocardial infarction using personalized heart models:[J]. Nature Communications, 2016, 7:11437.
本方向与台湾國立成功大學數學系陳旻宏老师有密切合作：https://hackmd.io/s/r1KqNAPkl
四、心脏电生理过程可视化--计算机图形与图像
1. 基于CT/MRI数据的图像分割和心脏精细解剖结构三维重建
Aslanidi O V, et al. Application of micro-computed tomography with iodine staining to cardiac imaging, segmentation, and computational model development[J]. IEEE transactions on medical imaging, 2013, 32(1): 8-17.
2. 生命全息投影--制作高拟真度心脏电生理活动动画，利用VR/AR，以及三维全息投影设备来形象展示数值仿真结果。与传统动画展示方式不同，基于电生理模拟数据的展示方式可互动，可修改，具有生命活性的几何模型。
Maya作图
HTC VR眼镜展示
全息投影设备展示
心电仿真与临床心电图诊断结合-ECGI
传统的12导联心电图(ECG)只是心电活动在人体体表的低分辨率投影，而ECGI通过结合体表电信号和心脏CT数据重建心脏表面（心外膜）电活动影像，因而可以用来验证3D心脏模型的仿真结果。
Ramanathan C, et al. Noninvasive electrocardiographic imaging for cardiac electrophysiology and arrhythmia.[J]. Nature medicine, 2004, 10(4):422-428.
心脏电力耦合模型
电活动是驱动心脏机械跳动的动力，主要模拟心脏舒张和收缩时形态的改变。
药物筛选：模拟药物和通道蛋白质的交互作用
Yuan Y, et al. The virtual heart as a platform for screening drug cardiotoxicity[J]. British journal of pharmacology, 2015, 172(23):5531-47.
多尺度心脏电生理建模与仿真
参考：白杰云, 王宽全, 张恒贵. 基于心脏电生理模型的心律失常机制研究进展[J]. 生物化学与生物物理进展, 2016(2):128-140.