解剖引导的全心脏框架：完整人类心脏传导系统的计算建模

《Frontiers in Cardiovascular Medicine》：An anatomy-guided whole-heart framework for computational modelling of the complete human cardiac conduction system

　　

摘要 引言： 计算心脏电生理模型日益被用于研究心律失常机制及评估治疗干预措施，然而现有的大多数框架省略或过度简化了心脏传导系统，这限制了其生理保真度和临床应用范围。 方法： 研究人员提出了一种基于特定受试者、解剖引导的完整人类心脏传导系统（CCS）计算模型，并将其整合到源自磁共振成像的四腔心及躯干几何结构中。该模型包含具有离散出口通路的三维窦房结、包括巴氏束（Bachmann's bundle）和后上连接在内的房间传导通路、具有明确快径和慢径解剖结构的房室结、希氏束（His bundle）、具有三束支构型的左束支、右束支，以及束支锚定的浦肯野网络（Purkinje network）。浦肯野网络未知的分支拓扑结构通过分区心内膜下替代模型进行近似，并赋予区域特异性的各向同性传导速度。全心脏电生理模拟采用反应-程函（reaction-eikonal）公式结合区域特异性离子模型，实现了心脏激动及相应12导联心电图的近实时计算。 结果： 模拟的激动序列再现了生理学一致的房性和室性去极化模式，包括沿界嵴（crista terminalis）的右心房突破、巴氏束介导的房间传导、双径路房室结激动，以及由束支-心肌连接处起始的近同步心室去极化。模拟的12导联心电图（ECG）与实测记录表现出良好的定性一致性，其中QRS波群形态的一致性尤为突出，P波形态总体对应良好。 讨论： 该框架为研究传导系统生理学、束支传导阻滞表型及传导系统起搏策略提供了一个解剖引导且计算可行性的平台。

解剖引导的全心脏框架：完整人类心脏传导系统的计算建模与心电图模拟

一、研究背景与问题

计算心脏电生理模型是现代心血管研究的重要工具，通过将异质性实验和临床数据整合到统一的机制框架中，实现从离子通道动力学到组织与器官水平波前传播的多尺度认知。这类模型支持通过受控、可重复的体外实验进行假设检验，从而减少对动物实验和侵入性人体研究的依赖。近年来，研究趋势正从通用机制模型转向基于个体影像数据重建解剖结构、利用个体测量校准电生理特性的患者特异性框架，即心脏数字孪生，用于风险分层、治疗选择和规划。

然而，一个关键局限始终存在：全心脏电生理的表征不足，主要源于对心脏传导系统的忽略或过度简化。心脏器官尺度功能依赖于由CCS介导的协调房室电活动，但现有模型常将心房、心室等解剖域孤立考虑，仅少数全心脏模型采用现象学耦合方案，未明确表征CCS的解剖和生理基础。CCS包含窦房结（SAN）、房室结（AVN）和希氏-浦肯野系统（HPS），在健康和疾病状态下均积极参与心律生成、房室延迟和快速心室激动，且与多数基于心电图特征诊断的传导障碍直接相关。其建模难点在于：将精细离散结构嵌入解剖真实的全心脏几何中；根据稀疏的器官尺度观测（如ECG）推断其结构并校准电生理特性；同时保持计算可行性。克服这些挑战对于实现生理全面的模型、支持全心脏尺度机制研究和与临床观测的直接比较至关重要。

二、研究内容与意义

研究人员提出了一种解剖引导、机制详细的人类全心脏模型，完整整合了CCS。模型包含解剖准确的SAN、离散心房传导通路、耦合微解剖信息的AVN与希氏束、束支和远端浦肯野网络。整个传导轴的空间排布依据常规临床影像可识别的解剖标志。电生理采用快速物理信息程函模型，实现近实时的心脏去极化和ECG模拟。研究证实解剖引导的CCS设计与实测P波和QRS形态一致，确认了建模框架的生理一致性。该框架为研究传导系统生理、束支传导阻滞表型和传导系统起搏策略提供了平台。

三、关键技术方法

研究人员基于一名45岁男性受试者的磁共振成像构建了心脏和躯干解剖模型，网格分辨率约1000μm，节点区域局部细化至约250μm。心室心肌纤维架构采用基于规则的方法，心房纤维架构采用规则框架计算。CCS组件依据文献报道的解剖和组织学研究在NumeriCor Studio中手动重建，浦肯野网络（PN）布局参考显微CT数据和乳头肌标志。全心脏电生理模拟采用反应-程函公式，各解剖组件和心肌分配区域特异性离子模型：心房肌细胞用Courtemanche等模型，心室肌细胞用Ten Tusscher和Panfilov模型，传导系统用Stewart等浦肯野细胞模型，SAN用Fabbri等模型。模拟在CARPentry框架中执行，ECG通过导联场公式从躯干模型计算。传导速度采用分阶段、人工监督迭代程序校准，先调心房参数匹配P波，再调心室和希氏-浦肯野参数匹配QRS。

四、研究结果

4.1 心房激动

心房激动始于SAN中央主导起搏区，通过最近出口通路进入右心房，沿界嵴产生初始心房突破。波前沿界嵴向上腔静脉和下腔静脉传播，同时向房间隔延伸。向内侧传播的波前到达Koch三角区域，通过快径激动AVN；沿界嵴向下腔静脉传播的第二波前激动三尖瓣峡部，经慢径到达AVN，两波前在Koch三角汇合。房间传导主要由巴氏束介导，最早左房突破出现在心房顶部，经间隔肺静脉束（SPB）作为巴氏束延续传递，左心耳附近出现次级激动位点，最终两波前在左房峡部汇合完成心房激动。

4.2 心室激动

心室激动由HPS激发启动，经希氏束穿隔部后快速分叉为左右束支。左束支三个主要束支几乎同时激动，与右束支并行。由于束支长度和心室走行差异，各束支-心肌连接处激动时间不同：左室间隔束支最先激动，随后依次为前、后和右束支束支，心肌突破分别发生在希氏束穿隔部激动后约30、33、35和40ms。PN快速将激动分布至心室心内膜，实现两心室近同步激动。右室游离壁和 anterior 室间隔交界处几乎同时出现最早心外膜突破，反映右室壁较薄的跨壁距离。左室前壁和后区产生两个优势心外膜波前，侧向传播并在左室外侧壁碰撞，于基底部侧壁完成左室激动。右室游离壁波向后扩展，与后室间隔沟波前在右室后壁碰撞，完成全心室激动。

4.3 心电图

模拟12导联ECG与实测记录总体一致，心室去极化期间对应更强。定量比较采用全局P波和QRS窗口及逐导联Pearson相关分析。实测和模拟P波时程分别为71ms和98ms，等电间隔分别为138ms和112ms，QRS时程分别为69ms和79ms。12导联平均Pearson相关系数P波为0.73，QRS为0.91，表明心房和心室去极化期间形态一致性可接受。

五、讨论与结论

该研究首次将SAN、主要房间传导通路、AVN和希氏-浦肯野系统整合到统一的解剖一致模型中，实现从窦性起始到心室去极化的全心脏模拟。心房激动方面，模型通过解剖定义的SAN出口通路和优先传导基质，再现了沿界嵴的右房突破和巴氏束介导的房间传导。心室激动方面，模型通过解剖标志锚定的束支和浦肯野网络，再现了近同步心室去极化和多部位心外膜突破模式。ECG模拟在QRS形态上表现优异，P波总体对应良好。

研究结论表明，该解剖引导且计算可行的框架为研究传导系统生理、束支传导阻滞表型和传导系统起搏策略提供了平台，有望推动心脏数字孪生在心律失常机制研究和治疗评估中的临床应用。