基于虚拟心肌细胞的膜片钳实验仿真平台研究

论文摘要

随着实验技术的高速发展,大量的实验数据不断被获得,基于这些实验数据各种心肌细胞模型相继被创建和完善。如何让这些细胞模型发挥更大的作用成为了本文的一个出发点。本文对膜片钳实验进行了仿真建模,并设计和实现了膜片钳实验仿真平台。利用仿真平台可以很容易模拟实验所不能实现的条件,仿真在常态或病态下心肌细胞的起搏传导情况,为心脏药物的研制提供验证和预言的作用。主要的研究内容包括:(1)对心肌细胞建模的基本原理和膜片钳实验的过程和原理进行研究分析,把膜片钳仿真实验分成电流钳和电压钳两大类,并设计用于这两大类仿真实验的刺激协议,对膜片钳实验进行仿真建模。(2)研究细胞模型的仿真过程,归纳出细胞模型数学系统各参数间的依赖关系,在此基础上应用3种常微分数值算法,并分析这3种数值算法的性能和稳定性,最后提出变步长数值算法。(3)基于设计模式和面向对象的设计思想,设计具有高度可扩展性、可复用性和可维护性的膜片钳实验仿真平台软件框架,实现一个具有易操作性、高效性、高鲁棒性且功能齐全的膜片钳仿真平台。(4)对仿真平台进行多方面测试,首先对仿真算法进行性能测试,然后验证电流钳制仿真实验的正确性,最后进行基因变异、心律异常的折返机制和离子通道激活失活过程这三个方面的模拟。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与来源
• 1.1.1 课题应用背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 与课题相关的国内外研究现状
• 1.2.1 心肌细胞与膜片钳制技术
• 1.2.2 心肌细胞数学建模研究的进展
• 1.2.3 基于心肌细胞模型的计算机仿真应用
• 1.3 本文研究的内容
• 第2章 心肌细胞膜片钳实验的建模与仿真研究
• 2.1 心肌细胞建模的基本原理
• 2.1.1 心肌细胞的离子通道构成及其等效电路
• 2.1.2 心肌细胞各类离子通道的抽象表示分析
• 2.2 膜片钳实验的仿真研究
• 2.2.1 膜片钳实验仿真的优点
• 2.2.2 电流钳实验仿真
• 2.2.3 电压钳实验仿真
• 2.3 本章小结
• 第3章 仿真过程及其数值解算法的研究应用
• 3.1 细胞模型仿真过程的研究
• 3.1.1 动作电位仿真的过程
• 3.1.2 I-V仿真的过程
• 3.1.3 细胞模型数学系统的依赖关系
• 3.2 常微分数值算法在细胞模型中的应用
• 3.2.1 常微分数值算法
• 3.2.2 常微分数值算法的性能分析
• 3.2.3 常微分数值算法的稳定性分析
• 3.3 变步长数值方法
• 3.3.1 基于膜电压变化率的变步长方法
• 3.3.2 基于允许误差的变步长方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 仿真平台系统的设计
• 4.1 系统总体需求
• 4.2 系统总体结构设计
• 4.3 系统的详细设计
• 4.3.1 面向对象设计思想
• 4.3.2 细胞计算模型的管理
• 4.3.3 参数的分类显示及钳制
• 4.3.4 Protocol及数值算法
• 4.3.5 仿真过程的多线程机制
• 4.3.6 数据显示及数据分析
• 4.3.7 数据文件的存储
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿真平台系统的实现及测试
• 5.1 仿真平台系统的实现
• 5.1.1 图形化用户界面的实现
• 5.1.2 数据编辑器的实现
• 5.1.3 Protocol的建模
• 5.2 仿真平台的测试
• 5.2.1 仿真算法的性能测试
• 5.2.2 电流钳制仿真实验的正确性
• 5.2.3 基因变异的模拟
• 5.2.4 心律异常的折返机制的模拟
• 5.2.5 离子通道激活失活过程模拟
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢