心脏中的信息传递以电信号的形式存在。正常的心脏电信号呈现行波状态,电信号出现螺旋波态是心律失常的可能原因,而一旦螺旋波态破碎进入时空混沌态,则可引发心颤,导致猝死,因此心脏电信号的研究一直是心脏病学的热点。实验方法是研究心脏电信号的主要手段,它直观而可靠,但容易损伤实验对象、难以重复、成本较高,且难以排除其他因素而探讨特定因素的影响。数值模拟方法可以有效地弥补实验方法的不足,因此成为了研究心脏电信号的重要辅助手段。元胞自动机是一种高效简单的数值模拟方法,其中Greenberg-Hastings元胞自动机模型是最简单的可激发介质元胞自动机模型,诸多研究已证明其能很好地反映可激发介质如心脏的动力学行为。本文采用元胞自动机模型对心肌组织切片的电信号进行数值模拟研究,包括探讨切片的机械形变、细胞记忆效应两种因素对螺旋波演化行为的影响;研究心电图的产生与持续机制。本文的工作内容及结果具体如下:一、在Greenberg-Hastings元胞自动机模型基础上考虑心肌组织的机械形变,研究了心肌切片的机械形变对螺旋波动力学行为的影响,数值模拟研究结果表明:对于规则网格下的稳定螺旋波,在生理性机械形变作用下,螺旋波发生漫游但不破碎:在病理性机械形变作用下,螺旋波会发生持续漫游、漫游后消失和破碎进入时空混沌三种变化。通过对比机械形变的振幅变化率和角频率变化对螺旋波动力学行为的影响,发现机械形变的振幅变化率对螺旋波的影响较大,而机械形变的角频率对螺旋波的影响较小。结合数值模拟结果,文中对运动员在心脏受到撞击后能较一般人员更快地恢复正常心律以及心脏受到猛烈撞击后会出现心颤致死的原因进行了解释。二、建立了能体现心肌细胞传导记忆的元胞自动机模型,该模型能够反映心肌细胞上一个状态周期对电信号传导速度的影响。利用所建立的模型,不仅能模拟心肌组织中稳定螺旋波的产生与维持,还再现了螺旋波的多普勒失稳、爱克豪斯失稳以及这两种失稳同时产生的现象,这些失稳现象是传统Greenberg-Hastings元胞自动机所无法产生的。本工作的结果为进一步利用元胞自动机探讨心肌细胞传导记忆性对螺旋波动力学规律的影响提供了模型依据。三、建立了包含心房肌、心室肌、房室腔、室间隔并考虑心室肌分层结构的心电图元胞自动机模型,并利用所建立的模型仿真了电信号在心脏中的传导,计算了正常和缺血情况下的场点电势走势。数值结果表明:正常情况下,模拟所得的场点电势呈现与标准心电图一致的P波、QRS波群、T波和J波;在心内膜下肌细胞缺血情况下,出现T波倒置的现象;在心外膜下肌细胞缺血情况下,T波变得高耸;在透壁缺血情况下,T波提前形成。文中将正常和异常情况下的场点电势走势与临床结果进行了对比,并分析了其形成与持续机制。本工作可为准确阐明心电图与心肌细胞电活动之间的关系、探讨心电图的产生与持续机制提供参考。