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     

The effect of cellular aging on the dynamics of spiral waves

Cellular aging can result in deterioration of electrical coupling, the extension of the action potential duration, and lower excitability of the cell. Those factors are introduced into the Greenberg–Hastings cellular automaton model and the effects of the cellular aging on the dynamics of spiral waves are studied. The numerical results show that a 50% reduction of the coupling strength of aging cells has a little influence on spiral waves. If the coupling strength of aging cells equals zero, the ability for the medium to maintain spiral waves will be reduced by approximately 50% when the aging cell ratio increases from 0 to 0.5, where the reduction of cell excitability plays a major role in inducing disappearance of spiral waves. When the relevant parameters are properly chosen, the cellular aging can lead to the meandering of spiral waves,the emergence of the binary spiral waves, and even the disappearance of spiral waves via the stopping rotation or shrinkage of wave. Physical mechanisms of the above phenomena are analyzed briefly.     

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.     

基于心脏腔式结构的心电图元胞自动机建模

建立了包含心房肌、心室肌、房室腔、室间隔并考虑心室肌分层结构的心电图元胞自动机模型.利用所建立的模型,仿真了电信号在心脏中的传导,计算了正常和缺血情况下的场点电势走势.数值结果表明:正常情况下,模拟所得的场点电势呈现与标准心电图一致的P波、QRS波群、T波和J波;在心内膜下肌细胞缺血情况下,出现T波倒置的现象;在心外膜下肌细胞缺血情况下,T波变得高耸;在透壁缺血情况下,T波提前形成,QT间期缩短.将正常和异常情况下的场点电势走势与临床结果进行了对比,并分析了其形成与持续机制.研究结果可为准确阐明心电图与心肌细胞电活动之间的关系、探讨心电图的产生与持续机制提供参考.     

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.     

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.     

Unpinning the spiral waves by using parameter waves

The spiral waves anchored to heterogeneous areas are more difficult to control and eliminate than freely rotating ones in homogenous mediums. To eliminate pinned spiral waves, the resistant force should be provided to resist the pinning force. Other than advection field, we introduce parametric wave to play the role of providing resistant force. It is found that the parametric wave with large enough amplitude and proper frequency can unpin and eliminate the spiral wave successfully. The capability of parametric wave in providing resistant force is dependent on its amplitude and frequency sensitively. On the basis of parametric wave, the dependence of pinning force on the size and level of heterogeneity is further confirmed.     

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.     

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     

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     

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.     

FitzHugh-Nagumo系统中螺旋波的控制

采用FitzHugh-Nagumo方程,研究了二维时空系统中螺旋波的控制问题,利用相空间压缩方法对部分系统变量的振幅进行限制从而影响螺旋波的稳定性.研究表明,控制过程可分为三个不同的阶段:在较小压缩限条件下螺旋波可以被完全消除,系统进入均匀定态;在较大的压缩限条件下螺旋波能够稳定存在,而且其振荡频率不随控制参数的改变而发生变化;当压缩限介于上述两者之间时,系统表现为时空混沌态.对上述控制过程进行了进一步的讨论,研究了不同控制参数条件下的系统斑图、变量的演化、相空间轨道等性质,并且对振幅函数和振荡频率特征进 关键词： 螺旋波 相空间压缩 FitzHugh-Nagumo方程     

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     

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.     

Size transition of spiral waves using the pulse array method

The domain size of spiral waves is an important issue in studies of two-dimensional (2D) spatiotemporal patterns. In this work, we use the 2D complex Ginzburg--Landau equation (CGLE) as our model and find that an initially big spiral can successfully transfer to several small spirals by applying a pulse array method. The impacts of several important factors, such as array density, controlling intensity and pulsing time, are investigated. This control approach may be useful for the control of 2D spatiotemporal patterns and has potential applications in the control of some realistic systems, such as meteorological and cardiac systems.     

Synchronizing spiral waves in a coupled Rossler system

The synchronisation of spiral patterns in a drive-response R6ssler system is studied. The existence of three types of synchronisation is revealed by inspecting the coupling parameter space. Two transient stages of phase synchronisation and partial synchronisation are observed in a comparatively weak feedback coupling parameter regime, whilst complete synchronisation of spirals is found with strong negative couplings. Detailed observations of the synchronous process, such as oscillatory frequencies, parameters mismatches and amplitude variations, etc, are investigated via numerical simulations.     

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     

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.