Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

یک مدل توسعه یافته الکتروفیزیولوژیکی برای رفتار سلول قلبی در سندروم بروگادا

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دپارتمان مهندسی پزشکی، دانشکده برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده
سندرم بروگادا یکی از اختلالات ژنتیکی خطرناک در سیستم الکتریکی قلب است که ناشی از ناهنجاری در عملکرد کانال‌های یونی به‌ویژه سدیمی و پتاسیمی می‌باشد. هدف این پژوهش، توسعه یک مدل ریاضی انعطاف‌پذیر برای بازنمایی دقیق دینامیک پتانسیل عمل در سلول‌های قلبی و شبیه‌سازی دو نوع اصلی این بیماری است. برای این منظور، تابع فعال‌سازی ریچاردز با قابلیت تنظیم پارامتر شکل (h) به‌جای تابع لاجستیک در شش مدل کلاسیک الکتروفیزیولوژیکی همچون Hodgkin-Huxley،I_Nap+I_k، Ten Tusscher، Luo-Rudy، Beeler-Reuter و Priebe-Beuckelman اعمال شد. به‌کمک الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)، مقدار بهینه‌ی h برای هر مدل در شرایط نرمال و پاتولوژیک استخراج گردید. نتایج نشان داد که تغییر در پارامتر h می‌تواند ویژگی‌های کلیدی پتانسیل عمل شامل دامنه (APA)، مدت (APD)، و زمان رسیدن به پیک (t_peak) را به شکل قابل‌توجهی به وضعیت فیزیولوژیک نزدیک کند. به‌ویژه در مدل‌های Luo-Rudy و Priebe-Beuckelman، پاسخ‌پذیری بالاتری نسبت به تغییرات h مشاهده شد که با رفتار نوع I و II سندرم بروگادا تطابق دارد. تحلیل حساسیت نیز نشان داد که برخی مدل‌ها نسبت به تغییر در تابع فعال‌سازی واکنش شدیدتری دارند که می‌تواند در انتخاب مدل مناسب برای کاربردهای فردمحور مفید باشد. مدل ارایه‌شده، بدون نیاز به تغییر ساختار پایه کانال‌ها، قادر است با تنظیم یک پارامتر کلیدی، اختلالات ژنتیکی در عملکرد کانال های یونی قلب را بازسازی کرده و پتانسیل بالایی در طراحی درمان‌های شبیه‌سازی‌شده، ارزیابی خطر آریتمی و توسعه مدل‌های شخصی‌سازی‌شده قلبی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

A Developed Electrophysiological Model for Cardiac Cell Behavior in Brugada Syndrome

نویسندگان English

S.H Sabzpoushan 1
Faezeh Shakibaei 2
1 Iran University of Science and Technology (IUST)
2 Department of Biomedical Engineering, Iran university of Science and Technology (IUST).
چکیده English

Brugada syndrome is a life-threatening genetic disorder of the heart’s electrical system, primarily caused by abnormalities in the function of ion channels, particularly sodium and potassium channels. This study aims to develop a flexible mathematical model to accurately represent the dynamics of cardiac action potentials and simulate the two main types of this condition. To achieve this, the Richards activation function—with a tunable shape parameter (h)—was employed instead of the standard logistic function across six classical electrophysiological models, including Hodgkin-Huxley, I_Nap+I_K, Ten Tusscher, Luo-Rudy, Beeler-Reuter, and Priebe-Beuckelman. Using the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, the optimal value of h was extracted for each model under both normal and pathological conditions. Results showed that adjusting the parameter h can significantly restore key action potential features—namely amplitude (APA), duration (APD), and time to peak (t_peak)—toward physiological values. Notably, the Luo-Rudy and Priebe-Beuckelman models exhibited greater sensitivity to h variations, corresponding well with the electrophysiological patterns of Brugada types I and II. Sensitivity analysis further revealed that certain models respond more sharply to changes in the activation function, which may guide the selection of appropriate models for personalized simulation. The proposed model, without altering the core structure of ion channel equations, is capable of reconstructing genetic disturbances in cardiac electrophysiology by tuning a single key parameter. It offers strong potential for use in in-silico therapeutic design, arrhythmia risk assessment, and the development of patient-specific cardiac models.

کلیدواژه‌ها English

Modeling the action potential of ventricular cells
Optimization algorithm
Gene mutations Brugada syndrome
The electrical behavior of heart cells
Function of ion channels
Mathematical function
Minimum models
دوره 18، شماره 4
زمستان 1403
صفحه 343-358

  • تاریخ دریافت 14 دی 1403
  • تاریخ بازنگری 02 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 26 تیر 1404