Physiological accuracy in simulating refractory cardiac tissue: the volume-averaged bidomain model vs. the cell-based EMI model
本研究比较了双域模型和EMI模型生成的单极SI曲线，发现EMI模型因解析细胞结构而更准确地反映心脏组织的难治期行为，为未来计算起搏器模拟提供了重要参考。
2023-04-08 cs.NA math.NA physics.med-ph
Dynamics of conduction blocks in a model of paced cardiac tissue
我们使用详细的电生理学模型数值研究传导阻滞的动力学。我们发现，这种动态关键取决于起搏区域的大小。小的起搏区域导致静止的传导阻滞，而较大的起搏区域可以导致周期性地朝向起搏区域行进的传导阻滞。我们表明，这种大小依赖性的动力学可以导致一种新的产氢机制。此外，我们表明，基本的现象可以捕捉到一个更简单的耦合映射模型。
2005-04-06 cond-mat.other nlin.PS physics.bio-ph
Modelling thermo-electro-mechanical effects in orthotropic cardiac tissue
本文介绍一种新的心肌主动收缩的数学模型，它具有不同的热电和非线性电导特性。组织的被动超弹性响应由正交各向异性指数模型描述，而离子活性指示通过正交各向异性主动应变的概念并入的主动收缩。我们使用一个完全不可压缩的配方，和所产生的应变直接修改介质中的导电机制，通过拉回变换。我们还研究了热电效应的影响，在发病的多物理突发时空动力学，使用非线性扩散。事实证明，这些成分在复制病理性混沌动力学（如炎症事件期间的心室颤动）中起着关键作用。具体结构的控制方程建议投在混合原始形式的问题，我们写在基尔霍夫应力，位移，固体压力，电势，激活生成，和离子变量。我们还提出了一种新的混合原始有限元方法的数值近似，我们用它来探索模型的属性，并评估耦合项的重要性，通过一些计算实验在3D。
2018-11-06 q-bio.TO
A Data-Driven Computational Model for Engineered Cardiac Microtissues
本文提出一种数据驱动的组织特异性计算模型，结合力学可调实验与成像数据，揭示肌原纤维形成水平是不同力学环境下EHT力输出差异的主要原因，并量化肌原纤维与ECM的相对贡献。
2023-05-31 q-bio.TO
Robust Approach for Rotor Mapping in Cardiac Tissue
锚定螺旋波的相位奇点之间的运动和相互作用捕获了可激发系统中复杂动力学的许多定性和定量特征。因此，能够准确地重建它们的位置是非常重要的，即使数据是嘈杂和稀疏的，例如在心律失常的电生理学研究中。最近提出的全局拓扑方法[Marcotte & Grigoriev，Chaos 27，093936（2017）]与传统的局部方法相比，有望显着提高重建的质量。事实上，我们发现这种方法能够以最小的精度损失处理超过信号范围的噪声水平。此外，它也成功地与稀疏网格上采样的数据具有可比的间隔的相位奇点之间的平均分离的复杂图案具有多个相互作用的螺旋波。
2019-07-22 nlin.CD physics.bio-ph q-bio.TO
Structural maturation of myofilaments in engineered 3D cardiac microtissues characterized using small angle X-ray scattering
本研究采用小角X射线散射法表征3D工程化心脏微组织中干细胞衍生心肌细胞的成熟初期结构，发现10天内肌丝晶格间距随成熟单调下降，该可视化方法可助力干细胞工程与疾病机制研究。
2023-12-19 q-bio.TO
Low energy defibrillation in human cardiac tissue: a simulation study
我们的目的是评估反馈控制共振漂移起搏作为低能量除颤方法的有效性。抗心动过速起搏是唯一获得临床意义的低能量除颤方法，但它仍然是次优的。低能量除颤将避免与高压电击相关的不良副作用，并允许在目前无法耐受的情况下应用ICD治疗。我们提出了一个bidomain模型的心脏组织与人类心房离子动力学的计算机模拟结果。启动再入，并在与再入相同的时间段内施加低能量冲击，使用反馈来维持共振。我们证明，这样的刺激可以移动的核心的折返模式，在方向上取决于电极的位置和反馈中的时间延迟。终止再入的电击强度比传统的单次电击除颤弱一个数量级。我们的结论是，共振漂移起搏可以终止在目前用于除颤的冲击强度的一小部分的折返，并可能工作在抗心动过速起搏失败，由于反馈机制。成功取决于这些数值模拟所揭示的许多细节。\emph{Keywords}折返; Bidomain模型;共振漂移; ICD;除颤;抗心动过速起搏;反馈。
2008-11-25 q-bio.TO
Large deformation diffeomorphic cardiac strain mapping
本研究提出一种结合近不可压缩性的机械正则化大变形微分同胚度量映射（mLDDMM）方法，从时间分辨三维网格中准确提取心脏体积位移和应变张量，并在有限元模拟基准测试中验证了其高一致性。
2025-04-04 q-bio.TO
Direct laser writing for cardiac tissue engineering: a microfluidic heart on a chip with integrated transducers
我们设计并制造了一个基于微流体的平台，用于在高度受控的微环境中感测心脏微组织产生的机械力。我们的制造方法结合了直接激光写入（DLW）光刻与软光刻。在我们平台的中心是一个圆柱形的体积，由圆柱形聚二甲基硅氧烷（PDMS）外壳分为两个腔室。细胞从顶部开口接种到内室中，微组织组装到圆柱形外壳内壁上的定制附着位点上。外腔室通过圆柱形壳体与内腔室电隔离和流体隔离，并且设计用于致动和感测目的。外部施加的压力波的外室变形部分的圆柱形外壳，从而使我们能够施加时间依赖的力量的微组织。由微组织产生的振荡力类似地使圆柱形壳体变形并改变外室的体积，从而导致可测量的电导变化。我们已经使用这个平台来研究在规定的机械负荷和起搏下源自人诱导多能干细胞（hiPSC）的心脏微组织的反应。
2021-04-02 q-bio.TO
Spatiotemporal correlation uncovers fractional scaling in cardiac tissue
在许多哺乳动物的心脏中，随着刺激频率的增加，动作电位时程会出现倍周期分叉，从而产生复杂的时空模式。在这里，通过高分辨率的光学映射和数值模拟，我们通过时空相关性分析作为刺激频率的函数和在颤动过程中量化犬心室的电压长度尺度。我们表明，i）长度尺度可以从40到20厘米在一对一的响应，ii）的周期加倍分叉的开始的临界衰减长度是存在的，并减少到小于3厘米之前，过渡到纤颤发生，iii）纤颤的特征在于约1厘米的衰减长度。在这个证据，我们提供了一个新的理论描述的心脏衰变长度引入一个实验为基础的传导速度色散关系，适合测量的波长与分数扩散指数为1.5。我们表明，一个准确的现象学的心脏动作电位的数学模型，微调后的经典恢复协议，可以提供正确的衰减长度在周期性刺激，但域大小缩放通过分数扩散指数为1.5是必要的重现实验纤颤动力学。我们的研究支持需要广义反应扩散的方法来表征心脏组织中动作电位传播的多尺度特征。我们提出了这样一种方法，作为可兴奋的生物介质中同步的潜在共同基础。
2018-06-12 physics.bio-ph q-bio.TO
Annihilation dynamics during spiral defect chaos revealed by particle models
本研究开发了一种计算高效的粒子模型来模拟心脏模型中螺旋波尖端的成对湮灭，该模型通过扩散和短程吸引控制粒子动力学，重现了心脏模型的湮灭率，并发现增加吸引系数可显著缩短平均终止时间，为药物干预提供了潜在靶点。
2024-02-15 q-bio.TO
Modelling the effect of gap junctions on tissue-level cardiac electrophysiology
当模拟组织水平的心脏电生理学，连续近似的离散细胞水平的方程用于保持计算的易处理性。最常用的模型之一是由bidomain方程表示，其推导依赖于均匀化技术来构建离散模型的适当近似。这种推导并没有明确说明连接一个细胞与另一个细胞的间隙连接的存在。它已被实验[Rohr，Bavasc。Res. 2004]，这些缝隙连接对动作电位的传播具有显著影响，特别是当波的上行通过缝隙连接时。在本文中，我们明确包括缝隙连接在一个二维离散模型的心脏电生理学，和相应的连续模型，在一个简化的细胞几何形状。使用这些模型，我们比较使用连续和离散系统的模拟结果。我们看到，当动作电位通过缝隙连接时，它的形式不能使用连续模型复制，并且当引入缝隙连接时，动作电位的潜在传播速度在模型之间不再匹配。此外，离散模拟的结果与Rohr 2004中所示的特征相匹配。从这一点上，我们建议，一个混合模型-一个离散系统的动作电位的上升，和一个连续的系统在其他地方-可能会给出一个更准确的描述心脏电生理。
2012-08-19 cs.CE physics.bio-ph q-bio.CB
Phase mapping for cardiac unipolar electrograms with neural network instead of phase transformation
Institute of Natural Sciences and Mathematics Ural Federal University（乌拉尔联邦大学自然科学与数学学院）；Institute of Natural Sciences Ural Federal University（乌拉尔联邦大学自然科学学院）；Laboratory of Mathematical Physiology Institute of Immunology and Physiology（免疫与生理学研究所数学生理学实验室）；Institute of Immunology and Physiology（免疫与生理学研究所）
相位映射是处理从心脏组织表面记录的电描记图的信号的方法。相位映射的主要概念是相位变换的应用，目的是获得具有有用特性的信号。在我们的研究中，我们建议使用一个简单的相位信号，而不是相位信号的电描记图数据的处理和相位图的建设。我们将可以提供该信号的变换表示为类相位变换（PLT）。PLT通过卷积神经网络定义，该网络在心脏组织电生理学计算机模型的数据集上进行训练。所提出的方法进行了验证的数据，从详细的个性化模型的人体躯干电生理。本文包括基于PLT的相位图的可视化，并显示了所提出的方法在分析复杂的非平稳周期性活动的可兴奋的心脏组织的鲁棒性。
2021-04-13 cs.LG eess.SP q-bio.TO
Efficient Representations of Cardiac Spatial Heterogeneity in Computational Models
针对心脏组织电特性空间异质性的高效建模问题，本研究基于Fenton-Karma模型，通过分段常数/线性函数拟合粗网格参数，发现1.0-1.6cm网格间距即可在复杂动力学状态下实现与真实结果的良好吻合，提升建模效率。
2024-11-24 q-bio.TO
Adjoint Multi-Start Based Estimation of Cardiac Hyperelastic Material Parameters using Shear Data
松弛期间的心肌组织通常被建模为具有强非线性和各向异性应激反应的超弹性材料。使这样的模型的行为适应实验或患者数据引起涉及大量参数的参数估计问题。基于梯度的优化算法提供了一种以相对较少的迭代来解决这种非线性参数估计问题的方法，但是需要目标泛函相对于模型参数的梯度。该梯度传统上使用有限差分来获得，有限差分的计算与模型参数的数量成线性比例，并且引入差分误差。通过使用自动导出的伴随方程，我们能够更有效地计算这个梯度，并以最小的实现工作。我们测试这个伴随框架上的最小二乘拟合问题，涉及简单的剪切测试心脏组织样本的数据。基于梯度的优化中出现的第二个挑战是算法对合适的初始猜测的依赖性。我们展示了如何多启动程序可以减轻这种依赖。最后，我们提供的Holzapfel和奥格登应变能定律的材料参数的估计，使用有限元模型与实验剪切数据。
2016-03-11 physics.comp-ph q-bio.QM q-bio.TO
Amplitude equation approach to spatiotemporal dynamics of cardiac alternans
振幅方程推导出描述的时空动态的心脏交替周期性起搏的一个和两个维度的均匀组织和一维的解剖再入均匀组织的环。这些方程提供了一个简单的物理理解的acromogenic模式的周期加倍振荡的动作电位持续时间与空间变化的相位和振幅，以及明确的定量预测，可以比较离子模型模拟或实验。方程的形式预计将是有效的一个大类的离子模型，但系数只推导出一个两个变量的离子模型和数值计算的原始诺布尔模型的浦肯野纤维actionpotential.In起搏组织，主要结果是存在的线性不稳定性，产生一个周期性的模式不一致的交替。此外，交替的模式可以是静止的，与固定的节点，或旅行，与移动的节点，因此准周期振荡的动作电位持续时间，这取决于相对强度的不稳定的影响CV恢复和稳定的扩散耦合的影响。在起搏的几何形状和环中，交替的开始在组织中与起搏的分离细胞不同。在二维再入交替动力学这些结果的影响进行了简要的讨论。
2007-10-15 nlin.PS q-bio.TO
Optical control of waves in a cardiac excitable medium
在自然界中，在不同环境中发现的可兴奋反应扩散系统（例如化学反应，金属生锈，酵母，变形虫，心脏，大脑）产生几何相似的宏观波（1，2）。对于心脏和大脑，由这些激发波形成的时空模式将健康状态与疾病状态分开（1-3）。目前针对生物电疾病的电学和药理学疗法往往缺乏控制这些模式所需的必要时空精确度。光学方法有可能克服这些限制，但仅在简单的系统中得到证明，例如Belousov-Zhabotinsky（BZ）化学反应4。在这里，我们结合了新的无染料光学成像与光遗传学驱动的心脏兴奋波的动态控制。我们利用图案化的光来光学控制心脏组织的宏观特性：波的方向，波的速度和螺旋波的手性。这种全光学方法为研究和控制复杂生物可激发系统中的图案形成提供了一个全新的实验平台。
2015-08-09 q-bio.QM q-bio.TO
Generation and escape of local waves from the boundary of uncoupled cardiac tissue
我们的目的是了解从心肌区域的细胞间耦合减少的活动异常波的形成。为了实现这一目标，我们研究了异质性肌细胞网络的行为，其中在增加网络自动性的条件下放置了尖锐的耦合梯度。实验在单层新生大鼠心肌细胞中进行，分别使用庚醇和异丙肾上腺素作为改变细胞间偶联和自律性的手段。实验结果进行了解释和扩展，使用修改后的Beeler-Schmidter数值模型。这些数据表明，一个异质衬底，耦合的梯度和增加振荡活动的个别细胞的组合创建一个丰富的一组行为与自生螺旋波和异位源。螺旋波具有扁平的形状和针-针漂移类型的尖端运动。这些细胞间波是基于动作电位的，可以通过电压或钙瞬变测量来可视化。在边界层和良好耦合层之间的界面上的源/负载失配可以锁定从耦合梯度的内层内的异位源和旋转波发出的波前。数值方法使我们能够探索：i）细胞的空间分布，ii）细胞自动性的振幅和分散，iii）耦合梯度在空间中移动的速度，如何影响波的行为，包括其逃逸到耦合良好的组织中。
2007-11-19 q-bio.CB q-bio.TO
Cyto- and bio-compatibility assessment of plasma-treated polyvinylidene fluoride scaffolds for cardiac tissue engineering
本研究通过冷等离子体处理PVDF支架，显著改善其亲水性与心肌细胞黏附性，并验证其在小鼠心脏移植中无异物反应且具备良好生物相容性。
2023-05-16 physics.bio-ph physics.med-ph physics.plasm-ph
Extinction Dynamics of Cardiac Fibrillation
在房颤发作期间，心脏的电活动变得紊乱，并显示出碎片化的螺旋波。为了系统地解决这个模式如何终止使用空间扩展模拟超过目前的计算资源。为了规避这一限制，我们把螺旋波的数量作为一个随机的人口与相应的出生-死亡方程，并使用统计物理技术来确定房颤的平均发作持续时间。我们表明，这种持续时间可以计算任意几何形状在最小的计算时间，它取决于组织的大小呈指数关系，与临界质量假设，其中指出，纤颤需要一个最小的器官大小。我们的方法可以有效和准确地预测平均发作持续时间，从而为改善房颤的治疗干预迈出了潜在的重要一步。
2018-08-06 q-bio.TO
A pseudo active kinematic constraint for a biological living soft tissue: an effect of the collagen network
最近在哺乳动物心脏中的研究表明，左心室壁增厚是收缩期射血的重要机制，并且在收缩期间，心肌在肌纤维交叉方向上产生显著的应力。我们认为，胶原网络周围的肌肉纤维可以解释这些力学行为。为了验证这一假设，我们开发了一个模型的大变形响应的主动，不可压缩，非线性弹性和横观各向同性的活软组织（如心脏或动脉组织），其中我们包括结缔组织和肌肉纤维之间的耦合效应。然后，一个三维的有限元制定包括这个内部的伪主动运动约束。解析解和有限元解吻合得很好。数值结果表明，这种壁厚增厚效应与实验观测值一致，其数量级为数量级。
2008-12-03 math.AP physics.class-ph physics.med-ph
Evolution of spiral and scroll waves of excitation in a mathematical model of ischaemic border zone
缺血心肌组织边界的异常电活动被认为是缺血再灌注心律失常发生的主要原因之一。在这里，我们提出了理论分析的波的电活动，可以上升的边界上的心脏细胞网络后，其恢复从缺血样条件。在我们的分析中包括的主要因素是宏观梯度的细胞与细胞的耦合和细胞的兴奋性和微观异质性的个别细胞。这些因素之间的相互作用使人们能够解释螺旋如何形成，与移动边界一起漂移，短暂地固定到局部不均匀性，并最终穿透到大部分耦合良好的组织中，在那里它们达到宏观尺度。基于响应函数的螺旋波和涡卷波漂移的渐近理论解释了这种机制中涉及的漂移，但由于心脏组织的离散性而产生的影响除外。特别是，这种渐近理论允许将2D事件外推到3D，这表明边界区域内的细胞可以产生螺旋的3D类似物，即涡卷波。当并且如果这样的涡卷波逃逸到更好耦合的组织中时，它们可能由于正细丝张力而塌陷。然而，我们的模拟已经表明，新生成的涡卷的这种塌陷不是不可避免的，并且在某些条件下，细丝张力变为负值，导致涡卷细丝扩张和繁殖，从而导致心脏组织的小区域内的纤维化样状态。
2011-08-23 nlin.PS q-bio.TO
Nonlinear diffusion & thermo-electric coupling in a two-variable model of cardiac action potential
这项工作报告的非线性动力学和螺旋波破碎的理论研究结果，在一个广义的两个变量模型的心脏动作电位占热电耦合和扩散的非线性。作为可激发介质中的惯例，常见的Q10和摩尔因子用于描述10度范围内的热电反馈。出于心脏组织的多孔性，在这项研究中，我们还提出了一个非线性Fickian通量制定泰勒扩展的电压依赖性扩散系数的二次项。先验地进行扩散参数的微调以匹配等效电缆模型的传导速度。所产生的组合效应，然后研究通过数值模拟不同的刺激协议上的一维电缆。模型功能进行了比较，在动作电位形态，恢复曲线，频谱和时空相位差。最后进行了二维长期模拟，以表征在不同的热状态下的持续原纤化过程中的螺旋破裂。温度和非线性扩散效应被发现影响复极相位的动作电位波与非单调的模式，并增加的倾向，embrymogenesis。
2017-05-08 q-bio.TO
Defibrillation via the Elimination of Spiral Turbulence in a Model for Ventricular Fibrillation
心室颤动是心脏性猝死的主要原因，是湍流的心脏电活动，其中心脏的时空电激活中的快速、不规则干扰使其不能进行任何协调的泵送动作。控制心室纤颤的方法包括电除颤以及注射药物。电除颤虽然被广泛使用，但涉及使整个心脏受到大规模的、通常适得其反的电击。我们提出了一种除颤方法，使用一个非常低的振幅冲击（mV的顺序）适用于一个短暂的持续时间（100毫秒的顺序），并在我们的模型心室粗网格线。
2001-04-04 nlin.CD q-bio.TO
Personalizable Models of Cardiac Elasticity with Physics-informed Symbolic Regression
Institute for Experimental Cardiovascular Medicine, University Heart Center Freiburg – Bad Krozingen, Medical Faculty and Medical Center – University of Freiburg（弗莱堡大学医学院及医学中心弗里堡-巴特克罗辛根大学心脏中心实验心血管医学研究所）；Speemann Graduate School of Biology and Medicine, University of Freiburg（弗莱堡大学生物与医学斯佩曼研究生院）；Faculty of Mathematics and Physics, University of Freiburg（弗莱堡大学数学与物理学院）；Physiology, Biophysics, and Systems Biology Program, Weill Cornell Graduate School of Medical Sciences（韦康奈尔医学科学研究生院生理、生物物理和系统生物学项目）；Department of Computer Science, University of Oxford（牛津大学计算机科学系）；Department of Computational Physiology, Simula Research Laboratory（西穆拉研究实验室计算生理学系）；Tulane University, School of Medicine（杜兰大学医学院）；Faculty of Medicine, University of Freiburg（弗莱堡大学医学院）；Institute of Engineering in Medicine, University of California San Diego（加州大学圣地亚哥分校医学工程学院）；Faculty of Health Sciences and Technology, Kristiania University of Applied Sciences（克里斯蒂亚纳应用科学大学健康科学与技术学院）
本文提出CHESRA算法，通过符号回归从多源实验数据中自动推导简单的应变能函数，实现高精度数据拟合和更一致的参数估计，提升心脏数字双胞胎的个性化医疗应用。
2026-10-06 q-bio.TO
Three-dimensional micro-structurally informed in silico myocardium -- towards virtual imaging trials in cardiac diffusion weighted MRI
University of Leeds（利兹大学）；INRIA Saclay（法国国家信息与自动化研究所萨克莱分部）；Ecole Polytechnique（巴黎综合理工学院）
计算机组织模型能够评价磁共振成像的定量模型。这包括成像生物标志物和组织微结构参数的验证和灵敏度分析。我们提出了一种新的方法来生成一个逼真的心肌微结构的数值模型。我们扩展了以前的研究占心肌细胞的形状变异，心肌细胞（闰盘）之间的水交换，心肌微结构混乱，和四个小片方向。在该方法的第一阶段中，通过考虑心肌细胞与心肌细胞连接中的形状可变性和闰盘来生成心肌细胞和小片。然后，将小型张聚集并定向在感兴趣的方向上。我们的形态学研究表明，数值和真实（文献）心肌细胞数据的体积分布、长度分布、主轴和次轴分布之间无显著差异（$p>0.01$）。结构相关性分析验证了计算机模拟组织与真实组织处于同一类无序状态。此外，心肌细胞（$4.3^\circ\pm 3.1^\circ$）的模拟螺旋角（HA）和输入HA（参考值）之间的绝对角度差证明与使用实验心脏扩散张量成像（cDTI）测量的HA和组织学（参考值）之间的绝对角度差（Holmes等人，2000）（$3.7^\circ\pm6.4^\circ$）和（Scolan等人，1998）（$4.9^\circ\pm 14.6^\circ$）。输入和模拟cDTI的特征向量和小角度之间的角距离小于使用结构张量成像（金标准）和实验cDTI测量的角度之间的角距离。这些结果证实，所提出的方法可以产生更丰富的数值幻影的心肌比以前的研究。
2022-08-22 cs.CV physics.med-ph q-bio.TO
Controlling spatiotemporal chaos and spiral turbulence in excitable media: A review
可激发介质是用于模拟包括心脏组织在内的各种自然系统的一类通用模型。激发波在这种介质中的传播导致形成特征图案，例如旋转螺旋波。这些结构中的不稳定性可能会通过螺旋湍流导致时空混沌，这与临床诊断的疾病如心脏纤维性颤动有关。用于控制这种现象的常规方法涉及非常大的振幅扰动并且具有若干缺点。本文综述了近年来对可激发介质中时空混沌的低振幅控制方法的研究进展。控制方案已大致分为三种类型：（一）全球性的，（二）非全球性的空间扩展和（三）本地，这取决于控制信号的方式，我们讨论的优点和缺点。
2007-10-11 nlin.CD q-bio.TO
Instability of spiral and scroll waves in the presence of a gradient in the fibroblast density: the effects of fibroblast-myocyte coupling
成纤维细胞-肌细胞偶联可以调节心脏组织中的电波动力学。在患病的心脏中，成纤维细胞的分布是不均匀的，因此成纤维细胞密度（此后我们称之为GFD）可能存在梯度，特别是从高度损伤的区域（如梗塞或缺血区）到组织的创伤较小的区域。已知纤维化心脏易于发生心律失常，因此了解GFD在心脏折返波（如螺旋波或涡卷波）的形成和维持中的作用非常重要。因此，我们调查的影响，GFD的螺旋和涡卷波的电激活的稳定性，在一个国家的最先进的数学模型的心脏组织，其中我们还包括成纤维细胞。通过以受控方式引入GFD，我们表明，螺旋波和涡旋波可以是不稳定的GFD的存在下，因为不同的螺旋或涡旋波频率ω的区域，由GFD诱导。我们研究了成纤维细胞的静息膜电位和附着在肌细胞上的成纤维细胞的数量对这些波的稳定性的影响。最后，我们表明，GFD的存在下，可以导致在高频起搏螺旋波的形成。
2016-09-09 physics.bio-ph q-bio.TO
A homogenized constrained mixture model of cardiac growth and remodeling: Analyzing mechanobiological stability and reversal
本研究提出基于均质化约束混合物理论的心脏生长与重构模型，结合微观细胞周转机制，在左心室模型中验证其维持张力稳态的作用，分析G&R稳定性与可逆性，为心衰风险识别、个性化治疗及器械设计提供支持。
2023-05-03 physics.med-ph q-bio.TO
Dreaming of Electrical Waves: Generative Modeling of Cardiac Excitation Waves using Diffusion Models
Cardiovascular Research Institute, University of California, San Francisco（加州大学旧金山分校心血管研究所）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Division of Cardiology, University of California, San Francisco（加州大学旧金山分校心脏病学部）
本研究探索用去噪扩散概率模型生成心脏电波模式，可实现螺旋波的生成、演化、修复及三维重建等任务，效果接近生物物理模型，但存在数据不足时产生伪影的问题。
2024-06-03 cs.CV eess.IV physics.bio-ph
Terminating ventricular tachycardia by pacing induced dynamical inhomogeneities in the reentry circuit
在非传导性心室瘢痕组织周围形成激励波反馈回路（折返回路）是致死性心律失常（如室性心动过速）的常见原因。这通常通过植入式器械（ICD）的快速刺激进行治疗。然而，再入终止成功的机制，更重要的是，失败，知之甚少。为了研究这种机制，我们模拟起搏的心脏组织的离子模型中的解剖折返，具有显着的恢复和分散性能。我们的研究结果表明，快速起搏导致折返回路的不均匀传导，导致成功的起搏终止心动过速。该研究表明，更有效的起搏算法可以设计考虑到这种动态不均匀性的作用。
2004-06-21 nlin.CD nlin.PS q-bio.TO
Energy landscape analysis of cardiac fibrillation wave dynamics using pairwise maximum entropy model
心脏颤动的特征是混乱和解体的螺旋波动力学模式，而窦性心律显示同步兴奋模式。为了确定复杂房颤状态下心肌细胞之间的功能相关性，我们将成对最大熵模型（MEM）应用于人类心房颤动的二维数值模拟数据。然后，我们构建了一个能量景观，并估计了不同的局部极小值（吸引子）之间的层次结构，以解释心脏颤动的动态特性。MEM可以描述窦性心律、单稳定转子和单转子有波断的波动动力学（准确度和可靠性均>0.9），但不能描述多随机小波的情况。能量景观表现出独特的配置文件的局部极小值和能量障碍，表征心脏纤颤动力学的时空模式。基于成对MEM的能量景观分析提供了对心脏颤动的复杂非线性动力学的可靠解释，这可能是由诸如窦房结或转子的“驱动器”的存在确定的。
2022-10-19 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.TO
A computational study of the effects of remodelled electrophysiology and mechanics on initiation of ventricular fibrillation in human heart failure
对病理性心脏病（如心律失常，心力衰竭死亡的主要原因）的研究越来越多地通过计算模拟来了解，对控制方程进行数值建模。这可以在实验工作受到技术限制和/或道德问题限制的情况下提供见解。随着模型变得越来越逼真，构建高效和准确的计算模型变得越来越具有挑战性。特别是，最近的发展已经开始耦合的电生理学模型与机械模型，以研究组织变形的影响，从而引入非线性的数学表示。本文概述了一个详细的计算模型的耦合机电心脏活动，它使用有限元法来近似的非结构化，变形，网格上的电气和机械系统。一个ILU预处理器被应用于提高性能的求解器。该软件用于通过将其应用于健康和失败组织的模型来检查电生理学、纤维化和机械变形对人体心室组织中螺旋波动力学稳定性的作用。后者通过修改（i）细胞电生理特性来模拟，以产生增加的动作电位持续时间和改变的细胞内钙处理，以及（ii）组织水平特性，以模拟心力衰竭中观察到的间隙连接重塑、纤维化和组织硬度增加。由此产生的数值实验表明，对于所选择的电生理学和机械响应的数学模型，引入组织水平纤维化可以对动力学产生不稳定的影响，而电生理学重构的净效应使系统稳定。
2014-06-06 cs.CE cs.NA math.NA
The effects of fibroblasts on wave dynamics in a mathematical model for human ventricular tissue
我们提出了系统的数值研究的电波传播的二维（2D）和三维（3D）数学模型，为人类，心室组织与肌细胞，附（a）定期和（b）随机分布的成纤维细胞。在这两种情况下，我们表明，有一个参数制度中，单个旋转螺旋和涡旋波状态（RS）保持其完整性，并没有演变成一个状态ST，显示时空混沌和湍流。然而，在另一个参数范围内，我们观察到从ST到RS状态的过渡，在2D或3D域和两种情况（a）和（b）。我们的研究表明，ST-RS转换和旋转周期的螺旋波或涡卷波在RS状态取决于（i）之间的耦合强度的肌细胞和成纤维细胞和（ii）数量的成纤维细胞附着到肌细胞。我们的结论是肌细胞成纤维细胞耦合强度和成纤维细胞的数量是更重要的ST-RS过渡比精确的方式，成纤维细胞分布在肌细胞组织。
2016-01-11 physics.bio-ph q-bio.TO
Using skewness and the first-digit phenomenon to identify dynamical transitions in cardiac models
心脏正常节律功能的中断，称为心律失常，通常是由于器官兴奋动力学的质的变化。不同类型的心律失常之间的转变伴随着电活动的时空模式的改变，其可以通过观察心脏组织的不同区域的连续激励之间的时间间隔来测量。使用生物物理学详细的心脏活动模型，我们表明，这些时间间隔的分布表现出系统的变化，在这种动态过渡的偏度。此外，归一化间隔的前导数字似乎在这些过渡点更好地拟合本福德定律。这提高了使用这些观察结果来设计用于识别心律失常性质变化的临床指标的可能性。更重要的是，我们的研究结果揭示了一个有趣的关系之间的变化偏度的分布和它的协议与本福德的法律，这两个已经独立地提出了较早的指标，政权转移的动力系统。
2016-01-20 nlin.CD physics.bio-ph physics.med-ph
