离散可激发介质中早期后去极化对螺旋波影响的数值研究

通过考虑某些不应态也可以被激发,在离散可激发介质Greenberg-Hasting模型中引入早期后去极化行为,研究了早期后去极化对螺旋波的影响.数值结果表明:在适当选择参数下,早期后去极化对螺旋波有很大影响,这些影响包括使螺旋波漫游、漂移和破碎,导致螺旋波波纹被扭曲和波臂粗细交替变化,以及导致螺旋波的周期在两个值之间交替变化,产生从稳定螺旋波到呼吸螺旋波和反螺旋波的相变等.当不应态的激发阈值很高时,早期后去极化对螺旋波没有影响.对发生上述现象作了简要的讨论. 关键词： 离散可激发介质 螺旋波 早期后去极化     

无扩散功能的缺陷对螺旋波动力学行为的影响

采用Br 模型,在二维激发介质中引入无扩散功能的缺陷,研究了均匀分布的缺陷对螺旋波动力学行为的影响.研究发现,缺陷导致介质的激发性降低、波传播速度减少,在一定数量的缺陷均匀分布下,缺陷可以使原来稳定的螺旋波发生漫游或破碎,缺陷使原来不稳定的螺旋波稳定或漫游,首次在激发介质中观察到螺旋波因Doppler效应破碎形成小螺旋波和时空混沌共存现象.对产生这些现象的物理机理做了简要的讨论. 关键词： 激发介质 螺旋波 缺陷     

无扩散功能的缺陷对螺旋波动力学行为的影响

采用Br 模型,在二维激发介质中引入无扩散功能的缺陷,研究了均匀分布的缺陷对螺旋波动力学行为的影响.研究发现,缺陷导致介质的激发性降低、波传播速度减少,在一定数量的缺陷均匀分布下,缺陷可以使原来稳定的螺旋波发生漫游或破碎,缺陷使原来不稳定的螺旋波稳定或漫游,首次在激发介质中观察到螺旋波因Doppler效应破碎形成小螺旋波和时空混沌共存现象.对产生这些现象的物理机理做了简要的讨论.     

动作电位动态变化对螺旋波演化行为的影响

在心脏病患者的心脏中观察到心室不同部位的心肌细胞动作电位时长(APD)恢复曲线陡峭程度差别很大,而陡峭的APD恢复曲线既可以在某些情况下导致螺旋波破碎和心室纤维性颤动,也可能在另一些情况下不导致螺旋波破碎,螺旋波动力学行为与陡峭的APD恢复曲线的关系仍未完全清楚,因此需要深入研究.本文采用二维可激发介质元胞自动机模型,研究陡峭程度不同的APD恢复曲线下螺旋波的动力学行为,数值模拟结果表明:陡峭的APD恢复曲线可以使漫游螺旋波稳定,也可以促进螺旋波漫游或引起破碎,甚至使螺旋波消失,观察到在APD恢复曲线总平均斜率大于1情况下螺旋波仍维持稳定或漫游,在APD恢复曲线总平均斜率比1小很多的情况下螺旋波出现破碎;在APD恢复曲线总平均斜率大于1的情况下观察到多普勒失稳、爱克豪斯失稳和APD交替变化三种螺旋波破碎方式,其中APD交替变化导致的螺旋波破碎可在APD恢复曲线总平均斜率比1小很多的情况下发生.观察到螺旋波通过漫游出系统边界和遇到传导障碍消失.此外,还发现通过增大元胞APD有利于防止螺旋波破碎.对产生这些现象的物理机制进行解释.     

随机扰动对螺旋波动力学的影响研究

心脏中的心肌组织是一种典型的可激发介质, 鉴于心肌细胞分布的离散性, 采用离散可激发介质模型研究了不应态时间随机扰动对螺旋波动力学行为的影响, 在扰动随机出现情况下, 螺旋波的稳定性与受扰元胞的数目和扰动幅度有关, 数值计算结果表明: 在适当的条件下, 可以观察到螺旋波漫游、破碎和消失现象, 并简要分析了产生这些现象的机理. 关键词： 螺旋波 激发介质 随机扰动     

具有早期后除极化现象的可激发系统中螺旋波破碎方式研究

在Greenberg-Hasting元胞自动机模型中引入了正常元胞和老化元胞,并规定只有老化元胞存在早期后除极化现象且早期后除极化可以激发其他元胞.在正常元胞和老化元胞均匀分布的情况下,研究了早期后除极化对螺旋波演化行为的影响,重点探讨了早期后除极化导致的螺旋波破碎方式.数值模拟结果表明:早期后除极化在比率约为26.4%的少数情况下不对螺旋波产生影响,在其他情况下则会对螺旋波产生各种影响,包括使螺旋波漫游、漂移、波臂发生形变以及导致螺旋波破碎和消失等.观察到早期后除极化通过传导障碍消失和通过转变为反靶波消失,早期后除极化导致螺旋波破碎有8种方式,包括非对称破缺导致的破碎、对称破缺导致的破碎、同时激发双波导致的破碎、非对称激发导致的破碎、整体传导障碍导致的破碎、整体快速破碎等.分析发现这些螺旋波破碎现象都与早期后除极化产生回火波有关,得到螺旋波破碎的总比率通常约为13.8%,但是在适当选取老化元胞密度和早期后除极化的激发下,螺旋波破碎比率可达到32.4%,这些结果与心律失常致死的统计结果基本一致,本文对产生这些现象的物理机理做了简要分析.     

激发介质中去极化对螺旋波动力学影响的数值研究

考虑可激发介质的不应态可以被激发,在Bar模型中引入去极化行为,研究去极化对稳定螺旋波的影响.数值模拟结果显示,适当选择去极化阈值、去极化激发时间,可以使螺旋波漂移、漫游,甚至使螺旋波漫游出系统边界,还可以使系统出现宽臂螺旋波、双臂螺旋波、双峰波、多个螺旋波共存、时空混沌等现象.对产生这些现象的机理进行了分析.     

时空调制对可激发介质螺旋波波头动力学行为影响及控制研究

本文首先研究了时空调制对可激发介质中周期螺旋波波头动力学行为的影响. 随着时空调制的增大, 螺旋波经历了周期螺旋波、外滚螺旋波、旅行螺旋波和内滚螺旋波的显著变化. 通过定义序参量来定量的描述由时空调制引起的螺旋波在不同态之间非平衡跃迁的临界条件, 及漫游螺旋波波头圆滚圆半径随调制参数的变化情况. 当时空调制增大到某个临界值时, 螺旋波发生了破碎; 再增加时空调制, 螺旋波则发生了衰减, 系统最终演化为空间均匀静息态. 在文中给出了螺旋波发生破碎和衰减的机理和原因. 最后将时空调制方法运用于漫游螺旋波, 实现了将漫游螺旋波控制成周期螺旋波, 或将其控制为空间均匀静息态.     

用低通滤波方法终止心脏组织中的螺旋波和时空混沌

通过让心肌细胞钠离子通道的触发门变量延迟打开, 使介质具有激发延迟能力, 介质延迟激发时间随控制电压和刺激频率增加而增加, 当控制电压超过一个阈值时, 延迟激发介质具有低通滤波作用:低频波可以连续通过, 而高频波不能连续通过. 本文用Luo-Rudy相I模型研究了介质延迟激发对螺旋波和时空混沌的影响, 数值模拟结果表明: 当控制电压超过阈值时, 介质的延迟激发可有效消除螺旋波和时空混沌; 从小逐渐增大控制电压, 在钙最大电导率较小情况下, 延迟激发会导致介质激发性降低, 使螺旋波漫游幅度增大, 直至传导障碍导致螺旋波消失; 当钙最大电导率较大时, 延迟激发会导致螺旋波失稳变弱, 这样当控制电压增加到一定值时, 时空混沌可以演化成漫游螺旋波, 当控制参数被适当选取时, 观察到漫游幅度大的螺旋波漫游出系统边界消失现象, 继续增大控制电压将导致时空混沌直接消失.     

离散可激发介质激发性降低的几种起因

采用简单的可激发介质元胞自动机模型,通过在均匀介质中引入死亡细胞、疲劳细胞以及让元胞的激发阈值作周期变化使螺旋波漫游.通过监测元胞的激发比率,发现不同原因导致的螺旋波漫游有一个共同的特点：螺旋波漫游情况下的元胞的激发比率较螺旋波不漫游情况下的元胞激发比率减小许多,表明介质的激发性降低与死亡细胞、疲劳细胞的数量以及元胞的激发阈值作周期变化有关;研究结果还表明：介质激发性的降低始终伴随螺旋波频率的减小.这些结果对心脏病的预防与治疗可能会提供有益的帮助. 关键词： 元胞自动机 可激发介质 螺旋波 漫游     

Effects of abnormal excitation on the dynamics of spiral waves

The effect of physiological and pathological abnormal excitation of a myocyte on the spiral waves is investigated based on the cellular automaton model. When the excitability of the medium is high enough, the physiological abnormal excitation causes the spiral wave to meander irregularly and slowly. When the excitability of the medium is low enough,the physiological abnormal excitation leads to a new stable spiral wave. On the other hand, the pathological abnormal excitation destroys the spiral wave and results in the spatiotemporal chaos, which agrees with the clinical conclusion that the early after depolarization is the pro-arrhythmic mechanism of some anti-arrhythmic drugs. The mechanisms underlying these phenomena are analyzed.     

激发介质相对不应态对螺旋波动力学行为的影响

采用元胞自动机模型研究激发介质相对不应态对螺旋波动力学行为的影响。数值模拟表明：元胞激发阈值存在一临界区间,该区间的螺旋波周期会突然增加,并存在一最大周期,在合适的系统尺寸和状态数下,螺旋波周期不再受相对不应态的影响而只取决于系统的激发阈值;相对不应态导致螺旋波“Z”型漫游、小范围无规律漫游、花瓣状漫游、锯齿状漫游、风车状漫游等复杂的波头运动。观察到稳定螺旋波、漫游螺旋波和螺旋波消失,并对产生这些现象的机制作简要的解释。     

非对称耦合两层可激发介质中的螺旋波动力学

本文采用Bär-Eiswirth模型研究了两层可激发介质中螺旋波的动力学, 两层介质采用抑制和兴奋性非对称耦合. 数值模拟结果表明: 兴奋性非对称耦合可以促进两个不同频率的螺旋波锁频, 即使初始频率相差大, 两螺旋波也能实现锁频, 这种耦合使两个螺旋波具有最强的锁频能力; 当两层介质采用抑制性非对称耦合时, 只有当两个初始螺旋波的频率差比较小才能实现锁频, 而且比一般扩散耦合的锁频范围窄, 两螺旋波锁频能力达到最低水平; 当耦合强度和控制参数适当选取时, 抑制性和兴奋性非对称耦合既可以使其中一层介质维持螺旋波态, 使另一层介质中的螺旋波演化到静息态或低频靶波态, 也可以使两层介质中的螺旋波都漫游, 或都转变成靶波, 最后这两个靶波要么消失, 要么转变成平面波状的振荡斑图, 而且两层介质振荡是反相的, 此外在模拟中还观察到两螺旋波局部间歇锁频现象, 这些结果有助于人们理解在心脏系统中出现的复杂现象.     

间接延迟耦合可激发介质中螺旋波的演化

采用Bär 模型研究了通过被动介质间接延迟耦合的两层可激发介质中螺旋波的相互作用. 数值模拟结果表明: 延迟耦合可以促进两个螺旋波的同步, 也可导致从螺旋波到集体振荡、各种靶波、时空混沌态或静息态的转变; 在这个耦合系统中还观察到周期 2和周期3螺旋波以及螺旋波漫游和漂移现象; 对产生这些现象的物理机制做了讨论. 关键词： 螺旋波 被动介质 时间延迟耦合 同步     

两层耦合可激发介质中螺旋波转变为平面波

采用Br-Eiswirth模型研究了两层耦合可激发介质中螺旋波的动力学,两层介质通过网络连接,即在每一层介质上,每一列选一个可激发单元作为中心点,在一层介质上同一列的可激发单元只与另一层介质上对应的中心点及其8个邻居有耦合.数值模拟结果表明:通过这种局部耦合,在适当小的耦合强度下两耦合螺旋波可实现同步,增大耦合强度会导致螺旋波漫游和漂移,造成螺旋波不同步,观察到螺旋波与静息态、低频平面波和不规则斑图共存现象.在适当强的耦合强度下,还观察到两螺旋波转变成同步的平面波消失现象.对产生这些现象的物理机理做了讨论.     

Spiral wave generation in heterogeneous excitable media

As the coupling in a heterogeneous excitable medium is reduced, three different types of behavior are encountered: plane waves propagate without breaking up, plane waves break up into spiral waves, and plane waves block. We illustrate these phenomena in monolayers of chick embryonic heart cells using calcium sensitive fluorescent dyes. Following the addition of heptanol, an agent that reduces the electrical coupling between cells, we observe breakup of spiral waves. These results are modeled in a heterogeneous cellular automaton model in which the neighborhood of interaction is modified.