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摘要

建立了基于有限元法(FEM)的三维心磁正问题计算框架, 以研究人体心脏电生理活动产生的磁场问题. 首先对被试的心脏和躯干磁共振影像数据源进行三维个性化建模, 获得心脏-躯干几何模型. 其次结合心脏三维模型与修正的FitzHugh-Nagumo (FHN)方程研究由跨膜电位 (TMP)产生的电兴奋在心脏内部的传导. 随后利用躯干三维模型与准静态麦克斯韦方程, 研究心脏电兴奋产生的生物电磁场在体内的传播过程, 进而获得体表外的心脏磁场分布. 心磁计算框架仿真结果显示, 使用FEM的模型可以较好地模拟体表外磁场分布. 一维FHN方程和直导线的简化模型数值结果分别与解析解呈现出较好的一致性, 验证了该计算框架的可行性. 综上, 该框架成功地仿真了TMP在心脏内部的传播过程及其在体表外投影的磁场分布, 这将有助于未来心磁逆问题求解的研究.

关键词:

Abstract

In order to simulate the distribution of magnetic field generated by cardiac electrophysiological activities, a three-dimensional (3D) computing framework of magnetocardiogram forward problem based on a finite element method (FEM) is proposed. First, the 3D heart-torso geometry model is established from the 3D reconstruction of magnetic resonance images. Then the modified FitzHugh-Nagumo (FHN) equation combined with 3D cardiac geometry is used to investigate the propagation of transmembrane potential (TMP). In the end, quasi-static Maxwell equations and 3D torso model are used to explore the propagation of the bioelectromagnetic field produced by TMP. In our calculation, the Galerkin finite element method is used. The results show that the FEM-model can simulate extracorporeal magnetic field. Further, numerical solutions of simplified models with the one-dimensional FHN equation and the straight wire are respectively consistent with the analytical solutions, which verifies the feasibility of the computing framework. In summary, this framework successfully simulates the cardiac TMP and extracorporeal magnetic field, which may conduce to the study of magnetocardiogram inverse problem.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:胡正珲,zhenghui@zjut.edu.cn

基金项目:国家重点基础研究发展计划(批准号: 2013CB329501)、国家自然科学基金(批准号: 81271645)和浙江省自然科学基金(批准号: LY12H18004)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Hu Zheng-Hui,zhenghui@zjut.edu.cn

Funds:Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2013CB329501), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 81271645), and the Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China (Grant No. LY12H18004).

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