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.     

交替行为对螺旋波影响的数值模拟研究

在离散可激发介质Greenberg-Hasting模型中引入交替(alternans)行为,研究了交替行为对螺旋波的影响.数值结果表明:在适当选择参数下,交替对螺旋波有很大影响,例如交替导致螺旋波的形状振荡,形成呼吸螺旋波,交替使螺旋波漫游、漂移,甚至使螺旋波漫游出系统的边界,交替使螺旋波破碎形成小螺旋波、反靶波和时空混沌等,首次在均匀介质中观察到交替导致传导障碍,使螺旋波破碎和消失,并对发生这些现象的机理进行了分析. 关键词： 离散可激发介质 螺旋波 靶波 漫游     

时空调制引起的漫游螺旋波与旅行螺旋波共存现象

以Barkley模型为研究对象, 研究了在时空调制作用下螺旋波时空动力学行为特性. 发现在适当的调制参数的作用下, 能够在同一系统中同时观察到漫游螺旋波与旅行螺旋波. 通过数值模拟研究分析, 给出了能产生漫游螺旋波与旅行螺旋波共存现象的潜在机理, 并详细讨论了在Barkley 模型中要产生这种共存现象的两个必要条件. 关键词： 时空调制 漫游螺旋波 旅行螺旋波     

心脏老化和收缩对螺旋波动力学的影响研究

通过用Greenberg-Hasting元胞自动机模型的邻域半径和激发阈值的增大来模拟心脏老化,用邻域半径交替变化代替心脏收缩与舒张,数值模拟研究了心脏老化和有规律收缩对螺旋波动力学的影响.结果表明:心脏老化会导致螺旋波漫游和不能产生螺旋波,既可以使螺旋波波长缩短和螺旋波周期维持不变,也可以使螺旋波的波长变长和周期增大;在心脏老化和有规律收缩共同作用下,系统可出现不同形状的螺旋波斑图、螺旋波发生破碎和消失等现象,给出了心力衰竭、心颤、死亡的发生概率,这些结果与流行病相关调查结果基本符合.     

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.     

时变反应扩散系统中螺旋波和湍流的控制

研究了一类参数时变的反应扩散系统中螺旋波和湍流对外电场的响应问题.在数值模拟中,以一类改进的Fitzhugh-Nagumo模型为研究对象(在恰当参数值下可分别描述激发介质和振荡介质),考虑随机和不确定因素(如内外噪声、气压、温度梯度分布和介质形变等)所引起的系统参数涨落对斑图演化的影响,在模拟中选取的参数涨落范围确保系统可以观测到稳定旋转的螺旋波、漫游的螺旋波和湍流,经历一定的暂态过程后,对介质施加极化电场,研究螺旋波和湍流在外电场中的演化.数值计算结果表明：在系统参数发生涨落和外电场强度比较小情况下,主 关键词： 螺旋波 湍流 时变系统 Fitzhugh-Nagumo模型     

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.     

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.     

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     

Dynamics of Spiral Waves Induced by Periodic Mechanical Deformation with Phase Difference

The dynamics of spiral waves under the influences of periodic mechanical deformation are studied. Here, the mechanical deformation propagating along the medium with phase differences are considered. It is found that weak mechanical deformation may lead to resonant drift of spiral waves. The drift direction and velocity can be changed by the wave length of the deformation. Strong mechanical deformation may result in breakup of spiral waves. The characteristics of breakup are discussed. The critical amplitudes are determined by two factors, i.e. the wave length and frequency of the periodic mechanical deformation. When the wave length of mechanical deformation is comparable to the spiral wave, simulation shows that the critical amplitude is substantially increased. As the frequency of the mechanical deformation is around 1.5 times of the spiral wave, the critical amplitudes are minimal.     

螺旋波动力学性质的元胞自动机有向小世界网络研究

以Greenberg-Hastings激发介质元胞自动机模型为基础,研究了有向小世界网络中重新连接概率p对螺旋波动力学行为的影响.对于在规则网络下的稳定螺旋波,施加有向小世界网络后发现:当p值较小时,原本稳定的螺旋波仍保持其稳定性.随着p的增大,先后观察到螺旋波持续漫游、螺旋波断裂以及螺旋波消失等现象.通过监测系统的激发比率,发现以上现象的产生源于介质激发性随p的增大而降低.同时还发现元胞周期的变化也与p有关. 关键词： 元胞自动机 螺旋波 激发介质 有向小世界网络     

Motion of spiral waves induced by local pacing

The motion of spiral waves in excitable media driven by a weak pacing around the spiral tip is investigated numerically as well as theoretically. We presented a Bifurcations diagram containing four types of the spiral motion induced by different frequencies of pacing: rigidly rotating, inward-petal meandering, resonant drift, and outward-petal meandering spiral. Simulation shows that the spiral resonantly drifts when the frequency of pacing is close to that of the spiral rotation. We also find that the speed and direction of the drift can be efficiently controlled by means of the strength and phase of the local pacing, which is consistent with analytical results based on the framework of the weak deformation approximation.      

Meandering Spiral Waves Induced by Time-Periodic Coupling Strength

Effects of time-periodic coupling strength (TPCS) on spiral waves dynamics are studied by numerical computations and mathematical analyses. We find that meandering or drifting spirals waves, which are not observed for the case of constant coupling strength, can be induced by TPCS. In particular, a transition between outward petal and inward petal meandering spirals is observed when the period of TPCS is varied. These two types of meandering spirals are separated by a drifting spiral, which can be induced by TPCS when the period of TPCS is very close to that of rigidly rotating spiral. Similar results can be obtained if the coupling strength is modulated by a rectangle wave. Furthermore, a kinetic model for spiral movement suggested by Di et al., [Phys. Rev. E 85 (2012) 046216] is applied for explaining the above findings. The theoretical results are in good qualitative agreement with numerical simulations.     

Meandering Spiral Waves Induced by Time-Periodic Coupling Strength

Effects of time-periodic coupling strength （TPCS） on spiral waves dynamics are studied by numerical computations and mathematical analyses. We find that meandering or drifting spirals waves, which are not observed for the case of constant coupling strength, can be induced by TPCS. In particular, a transition between outward petal and inward petal meandering spirals is observed when the period of TPCS is varied. These two types of meandering spirals are separated by a drifting spiral, which can be induced by TPCS when the period of TPCS is very close to that of rigidly rotating spiral. Similar results can be obtained if the coupling strength is modulated by a rectangle wave. Furthermore, a kinetic model for spiral movement suggested by Diet al., [Phys. Rev. E 85 （2012） 046216] is applied for explaining the above findings. The theoretical results are in good qualitative agreement with numerical simulations.     

随机相位扰动抑制激发介质中漂移的螺旋波

研究了一类二维变量描述的激发系统中漂移螺旋波的抑制问题.通过在整个系统中局部注入带随机相位的电信号，如在系统256×256格点的边界或中心区域中选取4×4或者5×5格点区域施加一个带随机相位的外部激励电信号，在系统内部产生一个持续的靶波信号，实现靶波对螺旋波的动态竞争.数值计算表明：该方法对于Barkley模型中螺旋波有很强的抑制作用，与简单的局部周期信号驱动比较，具有暂态过程比较短的特点，而且对于时空噪声具有一定的抗干扰性.在一定的噪声范围内，即使系统出现不均匀性，也可以观测到靶波，新出现的靶波对螺旋波有抑制作用. 关键词： 螺旋波 靶波 Barkley模型 随机相位     

Dynamics of Meandering Spiral Waves Driven by Two-Point Feedback

We numerically study the dynamics of meandering spiral waves in theexcitable system subjected to a feedback signal coming from two measuring points located on a straight line together with the initial spiral core. The core location and size radius of the final attractors are computed, and they change with the position of the moving measuring point in a unique way. By the Fourier Spectral analysis, we find the frequency-locked behaviors different from the
driving scheme of the external periodic force. It is also found that the meandering spiral wave can be eliminated when the moving measuring point approaches closely the boundary and its feedback gain is large enough. This offers an effective and convenient method for eliminating meandering spiral waves.