ارايه مدلي كمينه با دو متغير حالت براي پتانسيل عمل سلول بطني انسان

A minimal two state variables model for action potential in human ventricular cell

مطالعه آريتمي‌هاي قلبي به جلوگيري و درمان يكي از مهمترين عوامل مرگ انسان ها كمك مي كند. براي مطالعه آريتمي‌هاي قلبي نياز به مدلي از پتانسيل عمل سلولي است كه علاوه بر نمايش فعاليت الكتريكي طبيعي سلول، قادر به نمايش رفتارهاي غير طبيعي آن نيز باشد. مدل‌هايي كه تاكنون در اين زمينه ارايه شده داراي جزييات و حجم محاسباتي زيادي هستند و اين موضوع سبب كاهش سرعت شبيه‌سازي آنها شده است. در اين مقاله مدل كمينه اي با دو متغير حالت ارايه شده است. اين مدل علاوه بر نمايش خصوصيات طبيعي سلول بطني مانند تحريك‌پذيري، شكل ظاهري پتانسيل عمل، خاصيت جبران و نمايش اثر محدود كردن جريان‌هاي غشا، مي‌تواند رفتار غير طبيعي (EAD) را نيز شبيه‌سازي كند. اين مدل ساختاري هدايتي (كندوكتانسي) دارد و شامل دو جريان برايند است كه يكي نماينده كل جريان‌هاي ورودي و ديگري نماينده كل جريان‌هاي خروجي از سلول است. تنظيم پارامترهاي مدل، با استفاده از الگوريتم تكرار شونده و معيار كمينه مجموع مربعات خطا انجام شده و گستره هاي مستعد پارامترها براي بروز رفتار غيرطبيعي EAD با استفاده از روش‌هاي تحليل سيستم هاي ديناميكي غيرخطي تعيين شده است. نتايج به دست آمده منطبق با يافته‌هاي الكتروفيزيولوژيك است. سرعت شبيه‌سازي مدل مذكور در آرايه‌اي تك‌بعدي از ده سلول، در مقايسه با مدل هاي الكتروفيزيولوژيك، بين 34 تا 112 بار سريع‌تر تخمين زده شده است.

The study of cardiac arrhythmia is a great help for prevention of the major reason of human death. To study the arrhythmias, we need cell models that not only mimic AP’s normal behavior, but also show their abnormal activity. The usual electrophysiological models contain a lot of details and hence complicate mathematics which lowers the computational efficiency. In this paper, a minimal 2-state variables model is presented that not only simulates normal characteristics of human ventricular cells like excitability, AP morphology, restitution and effects of currents block, but also replicates early after depolarization (EAD) which is an abnormal activity of cardiac cells. The presented model is a conductance based one, incorporating two currents; inward and outward that delighting all the membrane inward and outward currents respectively. The adjustment and regulation of parameters were performed using an iterative algorithm that minimizes mean squares error between model responses and real APs. The effective range of parameters for initiation of the EAD is determined by the use of dynamical system analysis theory. The simulation results are in agreement with electrophysiological realities. The computing time of the model for an one-dimensional array of 10 cells is estimated to be between 34 to 112 times faster than some well-known electrophysiological models.