心脏电生理建模与仿真
===
## 简介
当前的心脏病研究主要集中在微观和宏观两个层次。微观上利用生理学实验，从基因、蛋白质、细胞层面开展研究；宏观上则依靠临床心电图和解剖结构来研究发病机制。本研究综合利用电生理数据、心脏解剖数据、临床心电图进行多尺度建模，系统模拟从微观到宏观的心脏病发病机理。基于这一模型，我们可以协助相关疾病的药物评价，研发新的治疗方法和设备。

## 研究方向—从微观到宏观
#### 基因变异的数学建模与分子动力学-0D
1. 根据生物学实验数据，建立基因突变对离子通道电流影响的数学模型，研究基因突变对心肌细胞动作电位、宏观电生理活动的影响。
[1] Zhang H, et al. Repolarisation and vulnerability to re-entry in the human heart with short QT syndrome arising from KCNQ1 mutation—A simulation study[J]. Progress in Biophysics & Molecular Biology, 2008, 96(1–3):112-131.
[2] Clancy C, Rudy Y. Linking a genetic defect to its cellular phenotype in a cardiac arrhythmia[J]. Nature, 1999, 400(6744):566-9.
2. 利用**分子动力学(MD)**，模拟离子通道蛋白的分子构象(molecular conformations)变化与通道开关动力学的关系，结合多尺度电生理模拟，以及其对动作电位(AP)、心电图(ECG)的影响。
[1] Jonathan R. Silva, et al. A multiscale model linking ion-channel molecular dynamics and electrostatics to the cardiac action potential[J]. PNAS, 2009, 106(27):11102.

#### 心肌细胞模型-0D
细胞模型是整个仿真系统的基础，主要用一阶微分方程来描述动作电位随时间变化的过程。实验室负责人罗锦兴发表在心血管顶级期刊Circulation research(**IF:13.96**)上的Luo-Rudy模型，目前引用次数已超过3000，且已收录进入学术百科[Scholarpedia](http://www.scholarpedia.org/article/Luo-Rudy_models)。
1. **Luo C H**, Rudy Y. A dynamic model of the cardiac ventricular action potential. I. Simulations of ionic currents and concentration changes.[J]. Circulation Research, 1994, 74(6):1097-113.
2. **Luo C H**, Rudy Y. A dynamic model of the cardiac ventricular action potential. II. Afterdepolarizations, triggered activity, and potentiation[J]. Circulation research, 1994, 74(6): 1097-1113.
3. **Luo C H**, Rudy Y. A model of the ventricular cardiac action potential. Depolarization, repolarization, and their interaction[J]. Circulation research, 1991, 68(6): 1501-1526.
4. **Ching-Hsing Luo**, “Luo-Rudy Models”, Scholarpedia, October, 2011, 6(10):6220
5. 更多细胞模型进展可参考：
http://rudylab.wustl.edu/index.html
http://www.scholarpedia.org/article/Models_of_cardiac_cell
---
左图：[Cardiac action potential](https://en.wikipedia.org/wiki/Cardiac_action_potential)
右图：The Luo-Rudy dynamic (LRd) model of the ventricular myocyte，1994

---
#### 心肌纤维、组织、器官——1D、2D、3D
三维心脏模型包含上亿个计算细胞/计算单元，为保证数值计算精度，微分方程求解的时间步长不能过大。因此需要考虑大规模模拟过程中的并行计算问题，并选择合适的数值算法。
主要包括有限差分，有限体积，有限元等数值算法，GPU与Intel Xeon Phi编程，网格生成与优化。

本实验室设计的自适应步长动作电位模拟算法(**CCL**)：
Chen M H, Chen P Y, **Luo C H**. Quadratic adaptive algorithm for solving cardiac action potential models[J]. Computers in Biology & Medicine, 2016, 77:261-273.
个体化心脏研究：
Arevalo H J, et al. Arrhythmia risk stratification of patients after myocardial infarction using personalized heart models:[J]. Nature Communications, 2016, 7:11437.

---

多维模型仿真：https://thevirtualheart.org/

---

#### 可视化--计算机图形与图像
1. 基于CT/MRI数据的图像分割和心脏精细解剖结构三维重建
Aslanidi O V, et al. Application of micro-computed tomography with iodine staining to cardiac imaging, segmentation, and computational model development[J]. IEEE transactions on medical imaging, 2013, 32(1): 8-17.
2. 生命全息投影--制作高拟真度心脏电生理活动动画，利用VR/AR，以及三维全息投影设备来形象展示数值仿真结果。与传统动画展示方式不同，基于电生理模拟数据的展示方式可互动，可修改，具有生命活性。

reference:
https://www.youtube.com/watch?v=sWxG7RTXSDk![Uploading file..._x68phuomn]()
https://www.youtube.com/watch?v=2iFe76keP9g![Uploading file..._brws54dwm]()
https://www.youtube.com/watch?v=afYCN3Upy_w

#### 仿真结果的临床心电图验证-ECGI
传统的12导联心电图(ECG)只是心电活动在人体体表的低分辨率投影，而ECGI通过结合体表电信号和心脏CT数据重建心脏表面（心外膜）电活动影像，因而可以用来验证3D心脏模型的仿真结果。
Ramanathan C, et al. Noninvasive electrocardiographic imaging for cardiac electrophysiology and arrhythmia.[J]. Nature medicine, 2004, 10(4):422-428.

#### 心脏机械力学模型
模拟心脏舒张和收缩时形态的改变

#### 药物筛选：模拟药物和通道蛋白质的交互作用
Yuan Y, et al. The virtual heart as a platform for screening drug cardiotoxicity[J]. British journal of pharmacology, 2015, 172(23):5531-47.

## 多尺度心脏电生理建模与仿真
来源：白杰云, 王宽全, 张恒贵. 基于心脏电生理模型的心律失常机制研究进展[J]. 生物化学与生物物理进展, 2016(2):128-140.