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     

通过被动介质耦合的两螺旋波的同步

采用Br模型研究了通过被动介质耦合的两二维可激发系统中螺旋波的同步,被动介质由可激发元素组成,这些元素之间不存在耦合.数值模拟结果表明,被动介质对螺旋波的同步有很大影响,当两系统中的初态螺旋波相同时,被动介质可导致稳定螺旋波发生漫游,螺旋波转变为螺旋波对或反靶波;当两系统中的初态螺旋波不同步时,在适当的参数下,两螺旋波可以实现同步、相同步,此外还观察到两螺旋波波头相互排斥、多螺旋波共存、同步的时空周期斑图、系统演化到静息态等现象.在被动介质中,一般可观察到波斑图,但是在某些情况下,被动介质会出现同步振荡现象.这些结果有助于人们理解心脏系统中出现的时空斑图.     

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     

三层弱循环耦合可激发介质中螺旋波动力学

采用Bär模型研究了具有循环反馈耦合的三层可激发介质中的螺旋波动力学行为,数值模拟结果显示: 在耦合强度较小时, 在各子系统中可观察到螺旋波漂移或漫游; 当耦合强度稍大时, 相互作用既可以使螺旋波漫游或漂移出系统边界而使子系统回到静息态,还可以使子系统的螺旋波态转变为靶波或湍流态, 并观察到子系统的渐近态依赖初值现象; 继续增大耦合强度, 三个子系统的螺旋波可达到近似广义同步; 当耦合强度更大时, 螺旋波演化为湍流态.     

耦合可激发介质中螺旋波的控制研究

采用Br模型研究了三层耦合可激发介质中螺旋波的控制.相邻层之间采用双向耦合.利用加在第二层介质上的局域周期信号产生的平面波来消除螺旋波.数值模拟表明:只有当三层介质的耦合满足一定条件才可能实现螺旋波的控制,可以通过耦合互补方式实现螺旋波的控制;平面波与低频螺旋波的相互作用可以产生高频螺旋波,导致螺旋波不能被消除;存在优化的驱动宽度,过大或过小的驱动宽度需要增加第一、三层介质的耦合强度.观察到控制结果依赖控制时机的现象.研究结果可用于植入式心脏除颤器的设计.     

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     

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     

心脏中的螺旋波和时空混沌的抑制研究

以Luo-Rudy相I心脏模型为基础,研究心脏中螺旋波和时空混沌的控制,提出了两种控制方法: (Ⅰ)通过交替改变细胞外钾离子浓度来产生平面波,再利用弱外电场辅助平面波抑制螺旋波和时空混沌; (Ⅱ)先提高细胞外钾离子浓度,然后利用外电场激发波的方式产生平面波,再用平面波去抑制螺旋波和时空混沌. 研究结果表明,只要适当选择控制参数,这两种方法都能够有效抑制螺旋波和时空混沌. 当心肌出现局部缺血时,在心肌缺血处就会出现高的细胞外钾离子浓度,在这种情况下, 可以采用电场发射波的方法来抑制心脏中的螺旋波和时空混沌.对这些控制方法的优点和控制机制做了解释.     

反应扩散系统中螺旋波的失稳

文章以反应扩散系统为例,介绍了在可激发系统与振荡系统中螺旋波产生、发展、演化的一些基本性质及规律,并讨论了作者近年来对螺旋波的各种失稳途径、时空混沌的产生机理及螺旋波控制方面所做的实验与理论工作,重点讨论了两类螺旋波失稳现象：爱克豪斯失稳与多普勒失稳,两类失稳都使系统从有规律的螺旋波态变为时空混沌（缺陷湍流）态。     

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.     

用同步复极化终止心脏中的螺旋波和时空混沌

为了模拟电击除颤导致动作电位持续时间缩短, 在Luo-Rudy相I心脏模型中引入了同步复极化. 研究了同步复极化对螺旋波和时空混沌动力学的影响. 数值结果表明: 在控制周期比较小的情况下, 同步复极化可以有效消除螺旋波和时空混沌, 在有一些控制参数下, 同步复极化只能消除螺旋波, 或者只能消除时空混沌. 当螺旋波不被控制时, 观察到螺旋波转变为长周期和长波长的螺旋波或破碎成时空混沌的现象. 并对控制机制进行了分析. 关键词： 螺旋波 时空混沌 同步复极化 控制     

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.     

The influence of long-range links on spiral waves and its application for control

The influence of long-range links on spiral waves in excitable medium has been investigated. Spatiotemporal dynamics in excitable small-world network transforms remarkably when we increase the long-range connection probability P. Spiral waves with few perturbations, broken spiral waves, pseudo spiral turbulence, synchronous oscillations, and homogeneous rest state are discovered under different network structures. Tip number is selected to detect non-equilibrium phase transition between different spatiotemporal patterns. The Kuramoto order parameter is used to identify these patterns and explain the emergence of the rest state. Finally, we use long-range links to control spiral wave and spiral turbulence successfully.     

Negative filament tension at high excitability in a model of cardiac tissue

One of the fundamental mechanisms for the onset of turbulence in 3D excitable media is negative filament tension. Thus far, negative tension has always been obtained in media under low excitability. For this reason, its application to normal (nonischemic) cardiac tissue has been questionable, as such cardiac turbulence typically occurs at high excitability. Here, we report expansion of scroll rings (low curvature negative filament tension) in a medium with high excitability by numerical integration of the Luo-Rudy model of cardiac tissue. We discuss the relation between negative tension and the meandering of 2D spiral waves and the possible applications to cardiac modeling.     

Suppressing arrhythmias in cardiac models using overdrive pacing and calcium channel blockers

Recent findings indicate that ventricular fibrillation might arise from spiral wave chaos. Our objective in this computational study was to investigate wave interactions in excitable media and to explore the feasibility of using overdrive pacing to suppress spiral wave chaos. This work is based on the finding that in excitable media, propagating waves with the highest excitation frequency eventually overtake all other waves. We analyzed the effects of low-amplitude, high-frequency pacing in one-dimensional and two-dimensional networks of coupled, excitable cells governed by the Luo-Rudy model. In the one-dimensional cardiac model, we found narrow high-frequency regions of 1:1 synchronization between the input stimulus and the system's response. The frequencies in this region were higher than the intrinsic spiral wave frequency of cardiac tissue. When we paced the two-dimensional cardiac model with frequencies from this region, we found that spiral wave chaos could, in some cases, be suppressed. When we coupled the overdrive pacing with calcium channel blockers, we found that spiral wave chaos could be suppressed in all cases. These findings suggest that low-amplitude, high-frequency overdrive pacing, in combination with calcium channel inhibitors (e.g., class II or class IV antiarrhythmic drugs), may be useful for eliminating fibrillation. (c) 2002 American Institute of Physics.     

Stabilization of spiral wave and turbulence in the excitable media using parameter perturbation scheme

This paper proposes a scheme of parameter perturbation to suppress the stable rotating spiral wave, meandering spiral wave and turbulence in the excitable media, which is described by the modified Fitzhug-Nagumo （MFHN） model. The controllable parameter in the MFHN model is perturbed with a weak pulse and the pulse period is decided by the rotating period of the spiral wave approximatively. It is confirmed that the spiral wave and spiral turbulence can be suppressed greatly. Drift and instability of spiral wave can be observed in the numerical simulation tests before the whole media become homogeneous finally.     

Propagation of terahertz waves in nonuniform plasma slab under "electromagnetic window"

The application of magnetic fields, electric fields, and the increase of the electromagnetic wave frequency are up-and-coming solutions for the blackout problem. Therefore, this study considers the influence of the external magnetic field on the electron flow and the effect of the external electric field on the electron density distribution, and uses the scattering matrix method (SMM) to perform theoretical calculations and analyze the transmission behavior of terahertz waves under different electron densities, magnetic field distributions, and collision frequencies. The results show that the external magnetic field can improve the transmission of terahertz waves at the low-frequency end. Magnetizing the plasma from the direction perpendicular to the incident path can optimize the right-hand polarized wave transmission. The external electric field can increase the transmittance to some extent, and the increase of the collision frequency can suppress the right-hand polarized wave cyclotron resonance caused by the external magnetic field. By adjusting these parameters, it is expected to alleviate the blackout phenomenon to a certain extent.