一种交流刺激霍奇金制造技术

一种交流刺激Hodgkin

【技术实现步骤摘要】
一种交流刺激霍奇金
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赫胥黎心脏浦肯野纤维模型设计方法


[0001]本专利技术属于非线性动力学和忆阻神经网络领域，涉及到四阶忆阻电路的数值仿真实现并利用分岔理论等进行数值分析。

技术介绍

[0002]浦肯野纤维是左、右束支及其分支分出的树枝状网络状末梢纤维，在心内膜下交织成网状，分布在心内膜下和心室肌内。其末端呈倒“Y”型结构，与心室肌细胞相连接。1962年，Noble提出了以霍奇金
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赫胥黎(Hodgkin
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Huxley)神经元模型为基础的浦肯野纤维模型。该模型可以用来描述心脏浦肯野纤维的动作电位和起搏电位，总膜电流由钠离子通道电流、钾离子通道电流以及阴离子泄露电流组成，成功地再现了真实浦肯野纤维细胞膜的大多数内在属性及其生理环境。2019年，张小红等证明了Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型中的钠离子通道和钾离子通道是忆阻器，并通过使用直流外部刺激发现模型在局部活动域、混沌边缘域和局部被动域这三个不同状态域之间迁移变化且证明了三个平衡点的出现。
[0003]细胞在实际环境中可能会遇到各种外界因素的干扰，并对外界刺激作出相应的反应。为了更好地模拟现实世界并发现更丰富的非线性特性，许多关于神经元和神经网络的研究都引入了不同的外部因素，包括电流、磁场、电场和噪声等。其中，电刺激在临床的心脏起搏、心脏除颤、心肌成形术等有广泛应用。而交流电在电刺激研究中使用频率较高且能产生更复杂的非线性行为，例如交流刺激Hindmarsh
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Rose神经元模型、Hodgkin
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Huxley神经元模型及Hopfield神经网络时均会出现多样的放电模式。同样地，对于Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型，交流刺激与直流电源的激励相比具有更丰富、更奇特的动力学现象。因此，通过分岔图、李雅普诺夫指数谱、波形和相图等进一步研究Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型的动态演化和心跳频率变化规律，对保护人类心脏健康具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提出一种交流刺激Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型的设计方法，首先让交流电流替代模型方程中总膜电流，构建交流刺激Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型及其电路结构；然后计算交流平衡点，讨论初始条件和交流振幅对平衡点轨迹的影响并分析平衡点稳定性；并通过相平面轨迹、波形、分岔图和李雅普诺夫指数谱观察模型在不同交流参数和不同初始条件下的动力学特性，揭示了多种共存的膜电位模式、并存的非对称分岔、局部正向或反向倍周期分岔等；当二维交流参数变化时，计算出最大李雅普诺夫指数，给出周期和准周期状态共存出现的主要参数区域及两状态的分布特征；最后，结合外部电流、钠离子和钾离子平衡电压的变化，寻找心脏浦肯野纤维在正常、异常和突发骤停状态之间的转换规律。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的。
[0006]本专利技术所述的一种交流刺激Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型设计方法，包括
以下步骤：
[0007](S01)：构建具有交流电流I
AC
＝Asin(2πft)注入的Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型及电路结构，其中A为交流电流的振幅，f为频率，目标是分析外加电流或扰动对Hodgkin
‑
Huxley心脏浦肯野纤维模型动力学演变的影响。
[0008](S02)：当Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型的初始条件(V0,m0,h0,n0)和交流的振幅A参数均变化时，分析系统平衡点随时间演化的轨迹，观察平衡点在初始条件和交流振幅的影响下不稳定鞍点、不稳定鞍焦点、稳定节点、含零特征值不稳定非双曲平衡点间分布和跳跃的特点。从而确定注入的交流电流I
AC
对Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型具有复杂非线性存在性。
[0009](S03)：在固定交流振幅A的条件下，分析完整周期(即同频率f)在不同初始条件设置中Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型雅可比矩阵特征值，从而判断关联的平衡点类型和平衡点稳定性。
[0010](S04)：调节交流频率f或幅度参数A，通过分岔图、李雅普诺夫指数谱和相图等数值分析方法，发现不同Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型初始条件下吸引子共存现象和交织的分岔动力学行为。
[0011](S05)：利用最大李雅普诺夫指数，展现交流频率f和幅度参数A二维交流参数变化下模型的周期与准周期状态的分布表象，并对(S04)中所列的周期与准周期吸引子共存进行验证。
[0012](S06)：调整Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型中钠离子平衡电压E
Na
、钾离子平衡电压E
K
，并研究外加(S01)电流对浦肯野纤维心跳频率的影响，寻求心脏波形频率正常、不正常、停止跳动(状态)的规律。从而得出当合适的直流电流刺激心动过缓导致的异常状态时或当交流刺激的频率f∈[1,1.66]Hz时，刺激后的心跳频率将处于正常范围，否则将使得正常状态的心跳频率转化为异常状态或使危险状态或变得更加危险。
[0013]具体步骤如下：
[0014]步骤1：构造交流刺激Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型。
[0015]1)原始的Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型：
[0016][0017]其中，I
m
为总膜电流，I
Cm
为流入膜电容的电流，I
Na
为钠离子电流，I
K
为钾离子电流，I
An
为氯离子等阴离子的电流，E
Na
、E
K
、E
An
为钠离子、钾离子和阴离子的平衡电位，g
An
为阴离子电导，C
m
为膜电容，V为膜电位，t为时间。
[0018]2)设计具有交流电流注入Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型，忽略阴离子的影响后，电路的方程为：
[0019][0020]其中，
[0021][0022]其中，I
AC
为引入的交流电流，构造式为I
AC
＝Asin(2πft)；m、h、n为方程中与计算I
Na
和I
K
相关的变量；I
Na
和I
K
的计算方法与公式(1)中的相同。交流刺激Hodgkin
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Huxley心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种交流刺激Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型设计方法，其特征是包括以下步骤：(S01)：构建具有交流电流I
AC
＝Asin(2πft)注入的Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型及电路结构，其中A为交流电流的振幅，f为频率，以分析外加电流或扰动对Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型动力学演变的影响；具有交流电流注入Hodgkin
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Huxley心脏浦肯野纤维模型，忽略阴离子的影响后，电路的方程为：其中，I
AC
＝Asin(2πft)I
Na
＝(400m3h+0.14)(V
‑
E
Na
)I
K
＝(1.2exp((
‑
V
‑
90)/50)+0.015exp((V+90)/60)+1.2n4)(V
‑
E
K
)其中，I
AC
为引入的交流电流，m、h、n为方程中与计算I
Na
和I
K
相关的变量；I
Na
为钠离子电流，I
K
为钾离子电流，E
Na
、E
K
、为钠离子、钾离子离子的平衡电位，C
m
为膜电容，V为膜电位，t为时间；(S02)：当Hodgkin
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Huxl...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小红，王萍，卢忠亮，孙杰，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：