研究人员创建了一种计算机模型来模拟心脏的电气电路，以研究不同电压场如何影响各种心房颤动和除颤场景。他们的研究结果显示，与当前先进的除颤方法相比，所需的能量显著减少。通过利用一种伴随优化方法，他们了解到，通过调整除颤设备施加的电压的持续时间和逐渐变化，可以将结束心房颤动所需的能量降低一千倍。
在最近发表于 AIP Publishing 的期刊 Chaos 的论文中，来自哥伦比亚波哥大的塞尔吉奥·阿尔博列达大学与亚特兰大的乔治亚理工学院的团队采用了一种电生理计算机模型，分析施加的电压场如何影响各种心房颤动-除颤情况。他们发现，与今天的顶尖除颤实践相比，所需的能量少得多。
“研究结果完全出乎意料。我们发现，超低能量除颤的原理并不是与我们最初认为的兴奋波同步有关。而是这些波是否能够传播通过那些尚未完全从先前兴奋中恢复的组织区域，”作者罗曼·格里戈里耶夫说。“我们的目标是确定施加电场的最佳时间变化。由于持续时间并非预先确定，我们进行了调整，直到实现一个可行的除颤协议。”
研究人员实施了一种伴随优化方法，旨在通过求解电生理模型以特定电压输入来实现特定结果——在这种情况下是除颤，然后系统地向回调整电压轮廓，以有效恢复正常心脏活动同时最小化能量使用。
减少除颤设备的能量消耗是目前研究的重点。尽管除颤器能有效终止有害的心律失常，但它们可能会造成疼痛并损伤心脏组织。
“当前的低能量除颤技术仅可适度减少组织损伤和疼痛，”格里戈里耶夫强调。“我们的研究表明，这些问题可以完全解决。传统方法对植入式心脏复律除颤器（ICD）需要大量电力，而随后的更换手术则带来严重的健康风险。”
在规律的心跳中，由位于心房顶部的起搏细胞发起的电化学信号传播至心脏，造成协调的收缩。然而，在像心房颤动这样的心律失常中，这些兴奋波开始旋转，而不是正常地传播通过组织。
“某些条件决定了兴奋波是否能够通过组织传播。这个关键时刻被称为‘易感窗口’，”格里戈里耶夫解释说。“结果取决于兴奋波时序的微小变化或轻微的外部干扰。”
“我们识别出的超低能量除颤方法利用了这种敏感性。通过在较长时间框架内改变电场轮廓，我们可以抑制旋转兴奋波通过敏感组织区域的传播，有效停止心脏内的不规则电活动。”
