心肌纤维取向不确定性对心脏电激活模式影响的量化研究：基于多项式混沌展开的仿真分析

这篇研究通过多项式混沌展开（PCE）方法，量化了心肌纤维取向（α/β角）不确定性对心室电激活序列的影响。研究采用基于规则的纤维模型（rule-based）和快速仿真工具（CARPentry），在三种双心室几何模型上模拟了9种刺激位点的电传导。结果表明，纤维主方向（α角）显著影响激活传播的整体模式，尤其在游离壁刺激时标准差（STD）峰值出现在刺激位点附近，而螺旋角（β角）变异影响微弱。该研究为心脏电生理模型的参数敏感性提供了系统性评估框架。

　　

引言

心脏电生理计算模型依赖精确的心肌纤维结构表征，但患者特异性纤维数据获取困难。现有方法包括扩散张量磁共振成像（DT-MRI）和基于规则的算法（rule-based），前者受限于图像噪声和成本，后者虽被广泛采用但存在参数不确定性。本研究首次系统评估纤维取向变异对电激活的影响，结合多项式混沌展开（PCE）和快速仿真技术，揭示纤维结构变异与电传导模式的定量关系。

方法

几何模型：采用三组离体猪心双心室MRI数据（体积65.4-69.3 cm³），通过Seg3D软件分割生成有限元网格（平均边距700 μm）。

纤维建模：基于Bayer算法设定纤维角度（α：心外膜-60°至心内膜60°；β：螺旋角0°至-35°），并设计四组参数分布（生理范围/窄范围/宽范围/螺旋角变异）。

电传导仿真：使用CARPentry软件求解各向异性Eikonal方程，纵向传导速度设为100 cm/s，横向/法向速度为纵向的2/3和1/3。

不确定性量化：通过UncertainSCI工具实施PCE分析，采用加权近似Fekete采样优化参数空间，计算均值、标准差（STD）和全局敏感性。

结果

α角主导变异：

• •

  游离壁刺激：左心室心外膜刺激时，STD峰值（6.8-7.1 ms）出现在心尖和左基底部；心内膜刺激则STD分布更复杂（3.1-3.7 ms）。全局敏感性显示心内外膜纤维贡献呈互补模式（图2-3）。

• •

  心尖刺激：心外膜与心内膜刺激的STD最大值分别位于右基底部和左基底部，呈现空间镜像特性（图5）。

• •

  心室交界区：STD在心尖区左侧重最高（7.7-9.5 ms），且与刺激方位对称（图6）。

β角影响微弱：所有刺激位点的STD均低于1.7 ms（表4），证实螺旋角变异对激活序列影响可忽略。

关键指标：

• •

  总激活时间变异最小（STD<4.9 ms），但最晚激活位点位移可达18.20 mm。

• •

  早期激活等时线（10%激活时）方向对纤维范围敏感：心外膜刺激时受心外膜纤维主导（敏感性0.84-0.98），心内膜刺激则受心内膜纤维控制（0.91-0.96）（表3）。

讨论

研究揭示了纤维取向不确定性的复杂空间效应：早期激活变异主要源于局部纤维参数，而晚期模式变异与整体结构相关。值得注意的是：

1. 1.

   刺激表面STD始终高于远端表面，提示早期传导差异随距离衰减；

2. 2.

   心尖刺激的基底部STD互补分布可能对心脏再同步治疗（CRT）电极定位有启示；

3. 3.

   规则建模在心室交界区的局限性需谨慎解读。

局限性与展望

研究受限于规则纤维的简化假设和均质传导参数，未来需整合患者特异性DT-MRI数据和Purkinje系统建模。此外，Eikonal模型虽高效，但无法模拟跨膜电流细节，后续工作将扩展至心律失常机制研究。

结论

心肌纤维取向变异对电激活的影响具有显著的时空异质性，在复杂心律失常建模中需重点考虑。该研究为心脏仿真参数敏感性提供了量化框架，推动了个体化电生理模型的发展。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献结论；专业术语如Eikonal模型、STD等均保留原文表述；数学符号如α/β角以文本形式呈现。）