心肌纤维取向不确定性对心脏电激活模式的影响：基于多项式混沌展开的量化研究

这篇研究通过多项式混沌展开（PCE）方法，系统量化了心肌纤维取向（α/β角）不确定性对心脏电激活序列的影响。研究基于规则算法生成纤维结构，结合双心室几何模型和eikonal模拟，揭示了纤维取向变异对早期激活等时线（10%激活时间）方向、突破点位置等关键特征的差异化调控，为心脏电生理模型的参数优化提供了重要依据。

　　

引言

心肌纤维的取向结构是心脏电传导的核心决定因素，但其个体化测量面临扩散张量磁共振成像（DT-MRI）成本高、噪声大的挑战。规则算法（rule-based）虽被广泛采用，但纤维取向误差对电传导的影响尚未系统量化。本研究通过多项式混沌展开（PCE）结合eikonal模型，首次在三个猪心双心室几何模型中，全面评估了α（主方向角）和β（螺旋角）变异对九种刺激位点激活模式的影响。

方法

模型构建：采用三组离体猪心MRI数据（体积65.4-69.3 cm³）建立有限元网格（分辨率700 μm），通过UVC坐标精确定位刺激位点。纤维取向基于Bayer算法生成，设定α_epi=-60°至α_endo=60°，β_epi=0°至β_endo=-35°的基线值。

参数变异设计：设置四组参数分布：

1. 1.

   α角生理范围（-85°至-35° epicardial/35°至85° endocardial）

2. 2.

   α角窄范围（±20°偏移）

3. 3.

   α角宽范围（±40°偏移）

4. 4.

   β角变异（±10° epicardial/-45°至-25° endocardial）

仿真与UQ分析：使用CARPentry求解eikonal方程（纵向传导速度100 cm/s，横向/法向速度为2/3和1/3），通过UncertainSCI平台实施PCE，计算激活时间的均值、标准差（STD）及全局敏感度。

关键发现

α角主导激活变异：

• •

  游离壁刺激：STD最大值出现在刺激表面（左室心外膜刺激达7.1 ms），且与局部纤维走向正交（图2-3）。心内膜刺激的突破点位移<1.12 mm，但最晚激活点位移可达18.2 mm。

• •

  心尖刺激：心外膜与心内膜刺激分别导致STD峰值位于右基底部和左基底部（图5），呈现互补分布模式。

• •

  心室交界刺激：STD在刺激点附近最低（0 ms），向心尖急剧升高至9.5 ms（图6）。

β角影响微弱：所有刺激下STD≤1.7 ms（表4），敏感度可忽略。

早期激活等时线：左室游离壁刺激中，心外膜刺激的等时线方向敏感于α_epi（敏感度0.84-0.98），而心内膜刺激敏感于α_endo（0.91-0.96）。中膜刺激则呈现双向敏感（表3）。

讨论

研究首次揭示：

1. 1.

   纤维取向误差对总激活时间影响微弱（STD<4.9 ms），但会显著改变晚期激活的空间模式；

2. 2.

   刺激深度决定敏感源——表浅刺激受局部纤维主导，透壁刺激受全层纤维耦合影响；

3. 3.

   心尖刺激的STD空间分异提示纤维结构对心脏再同步治疗（CRT）电极位点选择可能具有指导意义。

局限与展望

规则算法在心室交界区等复杂区域的适用性待验证，未来需整合DT-MRI实测数据。eikonal模型未考虑浦肯野纤维（Purkinje fibers）的影响，后续可结合bidomain模型深化机制研究。