论心脏起搏工程技术和植入式医疗器件研究的学科发展战略

1概述如果从1958年第一个心脏起搏器植入人体算起,心脏起搏技术的发展已34年,它是工程技术和心脏电生理相结合,生物医学工程在临床应用中最成功,但又在进一步迅速发展中的技术。特别是近10多年来,从工程技术方面讲,由于微电子和微处理器技术的进一步应用、软件代替某些(?)传感某些生理参数并构成闭环电路,以及新能源、新材料、电极等方面应用于心脏起搏技术,使心脏起搏技术更合乎生理要求,心脏起搏的适应症更扩大,除治疗心脏传导系统障碍引起的心动过缓外,

自动起搏

对生物医学工程最具有挑战性的目标之一,是它所开发研究的技术支持系统可使一个生理系统的受损功能和能力缺陷得到完全恢复,而最后做成这样一个装置,使患者使用时并不感到它的存在。生物医学工程在这方面很有指望的成果现在已在自动起搏领域内做到。这主要与分形涂复电极的独特的特性有关,用它可监测到至今还达不到的高质量腔内心电图信号。这种新电极最突出和独特的优点是用同一个电极在刺激后随即可感知应激反应。与心肌受自主神经系统(ANS)的影响及其机械行为有关的参数监测,已可从阻抗测量中获得。上述各方面的大部分能够或已经可用新技术在现代起搏器中实现。这样的起搏器都是包含有人工智能信息处理的微电子系统。自动起搏已成为技术上的现实。

医工常青树 学科不老松——回忆和蒋老师一起工作的日子

蒋大宗老师在65年从教生涯中，因工作需要，从事过多种专业。从1977年国家科委决定增设生物医学工程学科及至他在1978年任陕西省科委生物医学工程学科组副组长起，30多年来，我有幸与蒋老师一起从事学科建设和人才培养的工作，亲身经历和体会到蒋老师的无私、敬业、开拓、进取等优秀品质与师者风范。

二维心室肌中动作电位传导的数值算法研究

为了进一步探讨求解二维心室肌中动作电位传导方程的方法,采用时间分裂法将求解过程分为两步,第一步用时间步长自适应算法求解每个细胞的动作电位,第二步用交替方向隐式法或五点差分法对偏微分方程进行数值积分.仿真结果表明,在保证数值算法的稳定性和精度上,时间分裂法和时间步长自适应算法起着重要的作用.采用了时间分裂算法和时间步长自适应算法后,在计算精度上,用交替方向隐式法略高于用五点差分法去积分偏微分方程,在计算耗时上,五点差分法是交替方向隐式法的70%.

电压敏感染料膜电位光学标测技术

电压敏感染料的膜电位光学标测是一项集分子光子学、生理科学、计算机科学等诸多学科为一体的高科技技术手段。与传统的微电极、膜片钳技术相比,它不仅可以多位点、同步测量膜电位的变化,而且可以标测细胞群电活动的传导特性,为研究较小细胞和纤细的神经突起、心律失常等生理活动提供了可能。由于它可以避免外部电磁场的干扰,因此已成为研究心脏电除颤等机理较为理想的手段。本文重点介绍了电压敏感染料膜电位光学标测技术的工作原理、系统构架以及目前的主要应用及其未来的发展方向。

基于Noble心室肌细胞动作电位动力学模型的细胞电生理特性仿真研究

基于N ob le98哺乳动物心室肌细胞动作电位动力学模型,利用龙格-库塔法得到模型数值解。在此基础上,研究了文氏现象和心室肌细胞跨壁复极离散性、频率依赖性及其离子通道机制。结果显示,心肌细胞这些固有特性的存在可能导致心脏激动扩布中正常时空组织遭到破坏,成为致心律失常的潜在因素。本研究同时建立了利用N ob le98模型进行定量细胞电生理研究的基本方法,为进一步利用该模型深入探讨心律失常生理机制奠定了重要基础。

心脏电生理的计算机仿真方法研究

计算机仿真是对心脏电生理进行理论研究的重要手段。本文用R ush和L arsen提出的算法求解心室肌细胞Luo-R udy模型中的常微分方程(ODE's)。用算子分裂法结合自适应时间步长算法求解心肌组织传导模型中的偏微分方程(PDE's)。采用这些方法我们完成了单个心室肌细胞模型和两维组织模型的计算机仿真程序。用这些软件研究了激发螺旋波的方法。从两维计算机模拟中获得的数据可进一步用于等电位线、螺旋波尖端的轨迹及伪心电图(pseudo-ECG)的研究。

中层心肌细胞分布与长QT综合征中折返激动发生机制的计算机仿真研究

中层心肌 (M)细胞的分布是决定心室不应期空间分布的重要参数。特定离子通道的基因突变是产生遗传性长QT综合征的基础。但在离子通道水平上对M细胞分布状态与长QT综合征中尖端扭转型室性心动过速 (Tdp)折返机制关系的理论研究甚少。用Luo Rudy心室肌细胞动作电位模型LRd0 0进行二维心室肌组织仿真研究。采用特定M细胞岛形分布观察心室激动的跨壁传播特点。通过设置快速延迟整流钾电流 (IKr)通道的电导为零 ,模拟动物实验中灌注d sotalol阻断IKr形成LQT2模型 ,并在四种仿真条件下观察复极跨壁异质性的特征。在LQT2模型中 ,动作电位的时程延长 ,复极跨壁分布的最大值从对照条件下的 1 5ms/mm延长至 2 5ms/mm ,提示动作电位跨壁复极离散度增大。在LQT2模型中 ,M细胞岛形分布形状对不应期的空间分布起着重要的决定性作用。传导阻滞、Tdp形成、以及壁内折返环的维持均与M细胞的分布形状有关。结论 :M细胞的特征分布是产生不应期在空间上异质性的基础。不应期的局部延长是产生功能性折返的基础。在长QT综合征中 。

频率自适应起搏器的运动——心率预测系统的研究

从基于加速度传感器的体动型频率自适应起搏器心率控制方法的研究入手,设计了一种运动--心率预测系统。系统的上位机和下位机之间通过蓝牙模块进行通讯。下位机完成人体加速度信号的采集、处理以及加速度信号向起搏心率信号的映射,同时完成加速度信号和心率信号的实时传输。上位机完成人体加速度信号和心率信号的实时显示和记录,并且通过对6个参数的分级设置实现对下位机的算法控制。应用运动--心率预测系统进行的验证实验结果表明,线性算法得到的映射起搏心率和实际心率的相关性比较好,线性比较显著(R2=0.787,P<0.001)。

传输线法在体组织的介电性能测量

生物物质的介电性能对基础研究和临床应用都有重要意义。本文讨论了传输线法在体组织介电测量的原理、终端开路同轴线传感器类型、适用频率范围、误差分析和一些在体离体介电数据的差异,指出在体介电测量研究有待系统地进行。

心脏跨壁电异质性的光学标测

基础电生理测量技术中,包括膜片钳(patch clamping),微电极记录(microelectrode recording)细胞外多点标测(extracellular multisite mapping)和光学标测(optical mapping),其测量范围从直接单细胞离子通道电流至未受损标本的光学成像,但只有光学标测技术具有不接触或刺穿细胞的优点.……

LQT2模型中早期后除极的产生与中层心肌细胞的岛形分布有关

用Luo Rudy心室肌细胞动作电位模型LRd0 0进行二维虚拟心室肌组织的仿真研究 ,探讨LQT2模型中早期后除极 (EAD)的产生与中层心肌 (M)细胞岛形分布的关系。通过设置快速激活延迟整流钾电流 (IKr)通道的电导为零 ,模拟动物实验中灌注d sotalol阻断IKr形成LQT2模型。在二维虚拟心室肌组织的心内膜侧加基础周长 (BCL)为5 0 0ms的刺激 10次 ,间歇 5 0 0 0ms后 ,再给一个单刺激。通过改变M细胞岛形分布的形状、大小和位置 ,观察M细胞分布与长QT综合征中发生EAD的关系。结果 :在本实验条件下 ,当M细胞岛型区域的形状、大小适当时 ,可产生EAD并维持EAD的不断发生 ,引起靠近心内膜区域与M细胞区域的交界处产生较高振幅的EAD ,形成由EAD触发激动引起并维持的折返激动。结论 :在LQT2模型中 ,M细胞跨壁岛型分布的形状、大小和位置是产生EAD以及室壁内折返环的形成与维持的重要因素。折返波起始于心内膜细胞区域与M细胞区域的交界处。

心脏起搏系统阻抗体表检测方法的探讨

起搏阻抗反映了起搏器、起搏电极和心肌组织组成的起搏系统的连接状况。本文探讨了心脏起搏系统阻抗的体表检测方法，从体表起搏心电信号中分离并提取起搏脉冲波形，计算起搏系统阻抗。此方法已用于我们所研制的起搏心电监护系统，并在临床上进行了实测验证。将起搏系统阻抗和起搏心电图联系起来分析，有助于判断起搏系统故障的原因。

哺乳类动物心室肌细胞的Luo-Rudy模型及计算机仿真研究的进展

在实验数据的基础上基于Hodgkin-Huxley方程建立的哺乳类动物心室肌细胞的Luo-Rudy模型及计算机仿真研究使得对心脏的认识从定性转入定量。本文简述了Luo-Rudy模型的发展过程及其应用研究,并给出了LR91模型的计算机仿真结果。心肌细胞模型在心脏电生理研究中起着重要的作用,随着对心肌细胞模型的进一步研究将在分子水平上揭开心源性猝死的原因。

心肌细胞动作电位数学模型及其计算机仿真研究

恶性心律失常和室颤是心血管疾病中造成人类死亡的主要原因之一。建立在Hodgkin-Huxley方程基础上的心肌细胞动作电位数学模型由离子通道、泵及交换体电流组成,与细胞内外离子浓度、通道状况、神经递质和药物影响密切相关,可使细胞电生理和临床病理生理间建立确切的联系。基于这种模型的计算机仿真研究可以通过改变细胞内外环境,观察心肌组织乃至整个心脏电生理功能的变化,探讨和揭示心律失常或心源性猝死的机制。本文重点阐述了心肌细胞动作电位数学模型的构成及其计算机仿真研究的概况。

一维心肌缺血组织中折返发生机制的计算机仿真研究

尖端扭转型(T orsades de Po in tes,T dP)室性心动过速是一种严重的心律失常。心肌缺血是诱发T dP的主要原因之一。我们借助计算机仿真技术,利用N ob le98心室肌动作电位动力学模型,在一维匀质心肌组织上,定量研究缺血易导致心律失常的机制。首先通过独立减小N a+电导、提高细胞外K+浓度或减小细胞间缝隙偶联电导构建了缺血时组织兴奋性降低、细胞外K+蓄积或偶联减弱的模型,分别研究了各种情况对生理特性的影响。之后将三种参数组合,建立不同程度缺血模型并对其进行了研究。仿真结果显示随缺血程度增大,传导速度明显减慢、动作电位时程明显缩短、易损窗宽度显著增大,极易导致单向传导阻滞,形成折返性心律失常。

心电技术一百年——笔谈会

主持人:1895年,荷兰生理学家W·Einthoven(爱因妥芬)在前人的基础上改进了毛细管电位计频响差的缺点,获得了近于现代的心电波形,首先引进了心电图——Electrocardiogram(ECG)这一词,并将心电图中可明显区分的五个独立波分别标记为P、Q、R、S、T。1903年他又设计了弦线式电流计,用来测量心电图。1905～1906年期间首创标准导联,1912年又提出了爱氏三角形理论,为测定和描述心脏电活动提供了科学的依据。

数字式多道生理信号示波器的研制

目的 研制数字式多道生理信号示波器。方法 仪器采用PC机外挂采集盒的方式 ,3 86以上的PC机即可 ,仪器结构简单灵活。采用虚拟仪器设计技术 ,操作界面更加友好。结果 此示波器具有实时测量、分析、显示、存储、打印等功能。结论 此数字式多道生理信号示波器可替代目前教学和科研中使用的模拟生理信号示波器及其它生理信号记录装置 ,对教学和科研有一定的促进作用。该仪器具有很高的性能价格比 ,可大量推广使用 ,有望取得较好的社会、经济效益。