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     

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.     

非均匀激发介质中螺旋波的演化

采用简单的离散可激发介质模型研究了不同性质和形状的小异质性颗粒对螺旋波演化的影响,在小异质性颗粒均匀分布的情况下,螺旋波的失稳与小异质性颗粒的形状、分布密度和性质有关.数值研究结果表明:在适当的条件下,可以观察到稳定螺旋波发生漫游和螺旋波漂移出系统边界现象,首次观察到螺旋波破碎成空间无序的周期变化斑图和破碎成时空有序的迷宫斑图现象,简要讨论了产生这些现象的物理机理.     

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。     

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     

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.     

心肌组织机械形变的元胞自动机模拟

采用Greenberg-Hastings元胞自动机模型研究机械形变对心肌组织中螺旋波动力学行为的影响.数值模拟表明：对于规则网格下的稳定螺旋波,在生理性机械形变作用下,螺旋波发生漫游但不破碎;在病理性机械形变作用下,螺旋波会发生持续漫游、漫游后消失和破碎进入螺旋波湍流态三种变化.通过对比发现机械形变的振幅变化率对螺旋波的影响较大,而机械形变的角频率对螺旋波的影响较小.结合数值模拟,对心前区受到猛烈撞击会出现心颤致死及耐力运动员在发生心动过速后比一般人员更容易恢复正常进行解释.     

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     

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     

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     

细胞外钾离子浓度延迟恢复对螺旋波的影响研究

在Luo-Rudy相I心脏模型中考虑了细胞外钾离子浓度的频率依赖性,并研究了细胞外钾离子浓度的延迟恢复对螺旋波动力学的影响.数值模拟结果表明,在螺旋波态下,细胞外钾离子浓度的延迟恢复会导致细胞外钾离子浓度周期振荡,其振荡周期和振幅随延迟恢复时间的增加而增加,进而导致出现呼吸螺旋波、多螺旋波共存、螺旋波做Lévy飞行式漫游、螺旋波通过不同方式消失等现象,这些结果与实验结果一致.     

传导阻滞和折返效应对螺旋波演化行为的影响

采用元胞自动机模型研究传导速度恢复关系导致的传导阻滞与折返效应及其对螺旋波演化行为的影响，发现稳定螺旋波的形状、螺旋波的爱克豪斯失稳及多普勒失稳均与传导阻滞及折返效应有关：稳定螺旋波呈现内凹形是因为系统沿各方向的阻滞程度不同，呈菱形是因为所有元胞沿斜向传导的电信号都被严重阻滞；螺旋波的爱克豪斯失稳源于螺旋波外围存在较强的传导阻滞及因此导致的电信号折返，两者共同作用造成开始于外围的波臂断裂；螺旋波的多普勒失稳产生于出现在波头附近的较强传导阻滞，这种传导阻滞使波头附近的波臂沿某个方向挤压而沿另外方向拉伸，导致开始于波头附近的波臂断裂。本研究从细胞水平和电信号传导角度解释螺旋波不同演化行为的产生原因。     

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.     

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.     

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.     

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     

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