心脏组织中的螺旋波和时空混沌控制研究Study on spiral wave and spatiotemporal chaos control in cardiac tissue.pdf

心脏组织中的螺旋波和时空混沌控制研究 研究生：钟敏 导 师：唐国宁 教授 专 业：系统理论 研究方向：系统演化与模拟 年级：2007 级 摘要 螺旋波在许多系统中被观察到，比如：粘性霉菌的自组织、蛙类卵细胞中的钙离子波、 哺乳动物心脏中的电信号、BZ反应系统等，因此对螺旋波动力学行为及其控制研究引起人 们极大的兴趣。心脏是哺乳动物循环系统的重要组成部分，它的作用是通过自身的收缩和 舒张来推动全身血液的循环，而心律失常的发生将影响到血液的循环。生理学的实验表明， 心率过速现象可能与心肌电信号中出现螺旋波有关；而室颤的发生则与螺旋波失稳破碎形 成时空混沌有关。因此，如何消除心肌电信号中出现的螺旋波和时空混沌值得研究。目前， 临床上使用的治疗心律失常的方法主要是：高压除颤和药物治疗。一方面，使用高压除颤 会给病人带来巨大的痛苦，并且有可能为心律失常的复发留下隐患，因此寻找低电压除颤 方法受到关注；另一方面，通过使用药物的方法抑制心律失常也是研究的热点之一，因为 药物的使用将直接影响到心肌细胞的各种离子电流，有必要探讨用药物的方法抑制心律失 常的机制，以便减少使用药物带来的副作用。 本文以LuoRudy91模型为基础，使用局域反馈控制方法或通过使用不同的抗心律失常 药物来调制某些离子电流的方法抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌。研究结果分别介绍 如下： 第一章为综述性部分，第1节主要混沌的特点和基本性质以及对混沌的刻画，第2节 主要介绍几种典型的反应扩散系统，第3节主要介绍螺旋波的产生、漫游以及失稳，第4 节主要介绍心脏的基本知识以及目前临床治疗心颤的方法，第5节主要介绍心脏动力学模 型，第6节主要介绍控制螺旋波和时空混沌的一般方法。 第二章介绍使用局域反馈控制方法抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌。我们提出用 局域反馈控制方法抑制螺旋波和时空混沌，采用静止和运动控制器两种控制策略。结果表 明：适当选择控制参数，静止控制器的局域反馈方法能很好抑制螺旋波，但不能有效抑制 时空混沌；采用运动控制器的局域反馈方法能有效抑制螺旋波和时空混沌，抑制速度与控 制器移动的速度有关。在选择适当的控制参数下，螺旋波和时空混沌能在很短的时间内被 抑制. 第三章介绍使用钠通道阻滞剂抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌。我们提出将钠离 子电流的最大电导率从G 减少到G ′ 来抑制螺旋波和时空混沌。研究结果表明：该方法 Na Na 都能在短时间内有效抑制螺旋波和时空混沌。原因是：该控制方法有效地抑制了去极化过 程和加速复极化过程，减小了心肌细胞的可激发性，导致螺旋波和时空混沌被湮灭。对该 控制方法可行性也作了简单讨论。 第四章介绍使用钙通道激动剂抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌。我们提出应用钙 离子通道激动剂来提高钙离子流的最大电导率Gsi ，达到抑制螺旋波和时空混沌目的。研究 结果表明：该方法可以有效抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌，即使系统出现钾离子电 导率GK 分布不均匀也有效。但是当系统存在无扩散缺陷时该方法不能有效控制螺旋波和 时空混沌，对控制机制进行了分析。 第五章介绍通过控制钙和钾通道离子电流抑制心脏中的螺旋波和时空混沌。我们提出 使用钙通道激动剂来提高钙离子流的最大电导率 Gsi 和钾通道阻滞剂来减小钾离子流的最 大电导率GK 和GK 1 ，达到抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌的目的。结果表明：该方法 可以有效抑制螺旋波和时空混沌，即使介质存在无扩散缺陷时，该方法仍有效。对控制机 制进行了分析。 第六章介绍通过限制钾离子电流的最大值来抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌。提 出将钾离子电流的限定在某个最大值内的控制策略，研究了在限制不同钾离子电流下螺旋 波和时空混沌控制的效果，研究结果表明：当限制总的钾离子电流时，只要选择适当的控 制阈值，该控制方法能有效抑制螺旋波和时空混沌。当分别对含时和不含时外行钾离子电 流离子流限制时该控制方法也同样有效，但对饱和钾离子电流限制时该控制方法无效，对 控制机制进行了分析。 关键词：螺旋波；时空混沌；心脏；离子电流