基于细胞电生理模型的膜片钳实验仿真平台设计与实现

基于细胞电生理模型的膜片钳实验仿真平台设计与实现

论文摘要

心脏是人体重要器官之一,心血管病又是人类三大疾病之一,因此对于它的生理病理研究具有重要意义。为了更好地诊断和治疗各种心脏病,更好、更安全地研发治疗心脏病药,人们一直想用计算机模拟人的心脏活动。随着计算机性能的指数增长,以及复杂心脏运动(例如Na离子交换模型)在数学建模方面取得的极大进步,“虚拟心脏”的构想逐步变为现实,这对心脏的生理病理研究具有重大的意义。心脏建模的首要内容就是对单细胞进行建模,目前的仿真平台都存在功能表述不全,模型不能通用等问题,还没有一个较为完备的膜片钳实验的仿真平台。本文首先介绍了细胞电生理模型的表述内容,分析了当前各种仿真平台的优缺点,结合这些优缺点,提出了建立膜片钳实验仿真平台的想法。本平台用于仿真膜片钳制实验环境下的电压、细胞内外浓度以及激素、激动剂、阻断剂对细胞单个离子通道的控制,建立一个可视化的操作平台。该平台主要实现以下几个功能:仿真膜片钳制实验中电压、细胞内外液浓度以及激素、激动剂、阻断剂等细胞外实验环境;导入细胞模型,自动解析、编译成一个“活体”虚拟细胞;图形化的操作方式,对“活体”虚拟细胞进行膜片钳“实验”;将仿真实验结果同实际实验测定结果比较,自动或人为干预下重建细胞模型,并自动编译成XML语言描述的细胞模型;自动生成图像、数据,统计分析等实验结果。该平台将为细胞模型研究提供一个简单、直接、高效的工具。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景与研究意义
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.3 心肌细胞电生理知识
  • 1.3.1 心肌细胞
  • 1.3.2 膜电位
  • 1.3.3 离子通道
  • 1.3.4 膜片钳实验
  • 1.4 本文的研究内容
  • 第2章 细胞电生理模型的研究
  • 2.1 简述心肌细胞电生理模型
  • 2.2 心肌细胞电生理模型的内容
  • 2.3 各种细胞电生理仿真模型的分析
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 膜片钳实验仿真平台的设计
  • 3.1 平台的设计目标
  • 3.2 面向对象设计思想
  • 3.3 面向对象设计模式
  • 3.4 平台的总体设计
  • 3.5 平台的详细设计
  • 3.5.1 信息模型
  • 3.5.2 信息导入
  • 3.5.3 信息交互
  • 3.5.4 信息表示
  • 3.5.5 信息保存
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 仿真平台的实现与仿真结果评价
  • 4.1 平台的实现环境
  • 4.2 平台实现算法和技术
  • 4.2.1 迭代法处理细胞模型
  • 4.2.2 XML的应用
  • 4.3 平台的主要功能
  • 4.4 平台仿真结果分析与评价
  • 4.4.1 动作电位曲线
  • 4.4.2 离子通道的激活和失活变量曲线
  • 4.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 相关论文文献

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