二维可激发介质中径向电脉冲法控制螺旋波的动力学模拟

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心脏中的螺旋波与心动过速、室颤、心源性猝死等心律失常疾病密切关联,对生命健康构成重大危害。因此,寻找高效控制螺旋波的方法具有重要的现实意义。目前,基于异质性激发波(WEH)理论的均匀电场和圆极化电场等方法在控制螺旋波效率和安全性方面具有独特优势,近期引起了广泛关注,但由于需要全局的电场,临床实现仍有一定难度。本文针对不同电场控制螺旋波的研究进展做了综述,并基于WEH理论,提出了一种低强度的新方法——径向电脉冲法。本方法通过在缺陷内设置针状电极发出径向电脉冲,可实现高效控制螺旋波的目标,包括脱钉、消除和抑制湍流态螺旋波。本文通过一系列数值模拟,研究分析了径向电脉冲控制螺旋波的动力学过程,并揭示了其内在机理。主要工作如下:(1)径向电脉冲控制螺旋波动力学模型的建立与求解。利用数值模拟技术构建出与心肌动力学性质类似的可激发介质,并在介质中生成钉扎在异质结构(缺陷)上的螺旋波,模拟心脏中的钉扎螺旋波电信号。之后,提出了新的径向电脉冲方法和建模思想,阐述了其脱钉的内在动力学机理。模拟结果表明,径向电脉冲法控制螺旋波具有不受相位影响的独特优势。(2)基于Barkley模型开展了径向电脉冲螺旋波脱钉的数值模拟研究。研究发现:对于单臂螺旋波,单次电脉冲的脱钉区域要大于均匀电场的脱钉区域,多次电脉冲则可在整个螺旋波参数空间成功脱钉;对于多臂螺旋波,单次和多次径向电脉冲的脱钉成功率均可达100%,且多次脱钉电场强度可低至1.05。并且对于参数合适的多次径向电脉冲可完全驱除介质中的螺旋波。比较研究表明:径向电脉冲方法展示脱钉区域大、成功率高、电场强度低等多方面优势,是针对螺旋波脱钉表现更好的方法。(3)基于Bar-Eiswirth模型对螺旋波及其湍流态进行了脱钉、消除和抑制湍流等控制研究。结果表明,在Bar-Eiswirth模型中径向电脉冲可以成功使螺旋波脱钉。这表明径向电脉冲方法脱钉不受可激发介质模型的影响。并且在径向电脉冲频率在1.1-1.5倍的螺旋波频率时,可以完全驱除介质中的螺旋波。特别地,我们在Bar-Eiswirth模型下模拟了控制湍流的过程,并解释了径向电脉冲可以控制湍流的内在机理。研究表明,径向电脉冲能够抑制湍流态生成靶波:当电脉冲的频率略高于湍流频率时可成功抑制介质中的湍流态螺旋波,且在电场频率不超过介质所承受的最大激发频率内,抑制湍流所需的时间随着电场频率的增大而减小。本文研究结果为高效消除心脏中的螺旋波电信号提供了新的思路,并为电生理实验开展和临床上心律失常的诊疗提供了参考。
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