心脏疾病是目前全球人群健康的首要死亡因素,且发病率及死亡人数仍处在上升的阶段,因此对于心脏生理以及病理的研究受到了国内外专家学者的广泛关注。利用虚拟心脏模型对心脏的各种生理机制进行仿真研究是目前临床实验方法的有效辅助手段。虚拟心脏的建模仿真是一项极为复杂的系统工作,其集合了细胞学、生物化学、解剖学、基因工程学、计算机科学、数学及物理理论等众多学科,通过对心脏的形态以及功能等方面进行建模仿真,重现心脏在正常以及病理条件下的电生理、心肌机械力学和血流动力学等各种特性。利用虚拟心脏模型对心脏进行仿真研究,其优点在于可以定量并且直观地研究心脏的动态行为以及各种参数指标,并且可以十分方便地探究心脏在微观细胞层次的生理变化与宏观整体心脏变化的联系,从而有助于提高心脏疾病的诊治水平以及创新药物的研发。此外,虚拟心脏可以对研究问题进行反复仿真,试验和结果的可重复性强,并且没有医学伦理方面的限制,这在临床人体和动物实验中很难实现。本文的研究工作主要是围绕虚拟心脏模型的构建以及正常和病理条件下的心脏电生理仿真这个主题所展开。研究内容主要包括以下几个方面:基于南方医科大学附属珠江医院提供的人体全心脏64层螺旋CT扫描获得的图像数据,结合心脏的解剖结构知识,构建了具有精细解剖结构的人体全心脏三维数据模型。根据心脏中不同心肌细胞的电生理特性,基于离子通道水平构建了各种心肌细胞的动作电位模型。充分考虑真实心脏的兴奋传导通道并基于心肌纤维旋向的兴奋扩散各向异性,采用兴奋扩散方程模拟出了心肌细胞电兴奋的传导过程。然后基于真实完整的男性虚拟人体躯干模型,模拟出心电场和体表电位的分布情况,进而计算得到了体表12导联心电图。之后将构建的整套虚拟心脏模型应用于多种心脏的病理仿真中,将病理条件下的心脏电兴奋传导时序图以及12导联心电图波形与正常情况下的结果进行比较。首先,基于耦合的人体心肌细胞-成纤维细胞模型,在细胞层面和组织层面上研究了纤维化对人体心房的影响。结果表明,纤维化可以改变心房肌细胞的动作电位形态,减缓兴奋波的传播并具有频率依赖性。这些影响可导致心房电生理异质性,单纯纤维化足以引起心律失常,诱发心房兴奋波的逆向传导。在正常心率下可导致P波幅度降低和加宽,而在高心率下可显著延长P波时限并形成倒置P波,并且这些症状会随着纤维化程度的增加而加重。因此纤维化是房性心律失常的基础,其可能是治疗房性心律失常的一个潜在靶点。纤维化心房引起的P波变化可为临床诊断提供参考。其次,通过对左右心房间四条传导通道(包括Bachmann束;右肺静脉后部的穿间隔纤维,即VRPV通道;卵圆窝处的横隔纤维,即FO通道;以及冠状窦附近的心肌束,即CS通道)进行阻滞,仿真了不同传导通道阻滞的组合对于房间阻滞(IAB)的影响。结果表明,单一的心房间传导通道的阻滞不能使P波满足典型的IAB临床诊断标准。Bachmann束和VRPV通路在IAB中均发挥着重要作用。心房间的四条传导通道的重要性等级依次为Bachmann束,VRPV通道,FO通道和CS通道(即上端通道比下端通道更重要)。虽然单一的下端通道在心房间传导中起着次要作用,但它们与其他通道的结合可能产生更严重的IAB。仿真结果与临床实验研究数据吻合,并能有效解释临床起搏治疗背后的机制,这提供了很好的相互印证,并为今后的临床研究提供了指导。最后,仿真了左前分支阻滞与左心室前壁心肌传导缓慢引起的心室兴奋传导延迟。结果表明,左心室前壁心肌传导延迟可以产生类似左前分支阻滞的心电图波形典型特征,并且QRS波幅度减小和持续时间延长可作为区分二者的指标。鉴于两者的病理机制以及治疗方法不同,在诊断中对其进行有效区分将对治疗效果具有积极意义。仿真的结果达到了研究预期的目的,显示我们的模型可以真实再现心脏的各种生理和病理电特性,并且能够对心脏疾病的机制进行辅助分析并给出指导建议。本论文的研究工作,对于今后进一步研究心脏的病理机制及临床诊断治疗方法具有重要意义。