KR101741580B1 - simulation method and device for diagnosing cardiac arrhythmia based on genetic mutation - Google Patents

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KR101741580B1 KR1020150026415A KR20150026415A KR101741580B1 KR 101741580 B1 KR101741580 B1 KR 101741580B1 KR 1020150026415 A KR1020150026415 A KR 1020150026415A KR 20150026415 A KR20150026415 A KR 20150026415A KR 101741580 B1 KR101741580 B1 KR 101741580B1
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Abstract

심장 시뮬레이션 방법은 생체이온의 유입 및 유출에 의한 단일 심근세포의 전압변화를 <수학식 1>를 이용하여 연산하는 단계와, 세포 내부와 세포 사이(interstitial) 두 연속 영역의 집합으로 정의되는 심장의 각 영역의 이온전류들은 세포막을 통해서 한 영역에서 다른 영역으로 흐르며, 세포 내부 공간에서 유출되는 전류가 세포 사이(interstitial) 영역으로 모두 유입되는 전류 보존법칙을 토대로 <수학식 2>를 연산하고, <수학식 3>을 통해 체적당 공간전류를 연산하며, <수학식 4>를 통해 세포막 전류를 연산하는 단계와, 세포막 전위에 대한 반응-확산(reaction-diffusion) 방정식인 <수학식 5>를 이용하여 심장 전기전도를 연산하는 단계와, 유한요소법을 사용하며, <수학식 5>에 Galerkin 방법을 적용하고, 시간 항에 대한 Euler 전진차분법을 사용하여, 격자점(mesh point)들에서의 상태값을 변수로 하는 연립대수방정식인 <수학식 6>을 도출하는 단계와, <수학식 1>의 INa , ICaL , Ito, IKr , IK , IK1 , INaCa , INaK , IpCa IpK , IbCa , IbK 중 선택된 하나 또는 복수의 전류를 심근세포의 돌연변이에 의해 미리 계산된 각각의 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환하여 시뮬레이션 하는 단계를 포함한다.The cardiac simulation method includes a step of calculating the voltage change of single cardiac muscle cells due to the inflow and outflow of bio-ions using Equation (1), and a step of calculating a voltage of the heart, which is defined as a set of two successive regions within the cell and interstitial The ion currents in each region flow from one region to another region through the cell membrane and calculate (Equation 2) based on the current conservation law in which the current flowing out of the cell interior space flows into the interstitial region, Calculating a spatial current per volume through Equation (3), calculating a cell membrane current through Equation (4), and using a reaction-diffusion equation for cell membrane potential (Equation 5) Calculating a heart electrical conduction, applying a Galerkin method to Equation (5), using Euler forward difference method for a time term, calculating a grid point by using a finite element method, Deriving for the <Equation 6> simultaneous algebraic equations for the state value to a variable in the <Equation 1> of I Na, I CaL, I to, I Kr, I K, I K1, I NaCa, I NaK , I pCa I pK , I bCa , I bK And replacing the selected one or plurality of currents with a mathematical model of each mutant ion channel calculated in advance by mutation of myocardial cells.

Description

유전자 돌연변이에 기인한 심장 시뮬레이션 방법 및 장치{simulation method and device for diagnosing cardiac arrhythmia based on genetic mutation} Technical Field [0001] The present invention relates to a method and a device for cardiac simulation based on genetic mutation and a device for diagnosing cardiac arrhythmia based on genetic mutation.

본 발명은 심장 시뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 유전자 돌연변이로 인한 단백질의 비정상적인 활동으로 발생하는 이온채널의 변화를 수학적 모델화한 심장 시뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a cardiac simulation method and apparatus, and more particularly, to a cardiac simulation method and apparatus that mathematically models ion channel changes caused by abnormal activity of a protein due to a gene mutation.

심근세포의 세포막은 세포 내 소기관들을 둘러싸고 있고 인지질에 드문드문 단백질이 끼워진 구조를 이루고 있다. 이 세포막을 통하여 여러 물질들이 세포로 드나들고 그 물질 중에는 전하를 띤 이온들도 있다. 이온들은 세포막을 직접 드나들지 못하고 세포막의 단백질을 통하여 들어오고 나간다. 그 단백질을 채널 단백질이라고 하고, 채널 단백질을 통해 이온이 출입하는 것을 이온채널이라고 한다. 이온채널은 통과하는 이온의 종류에 따라 크게 Na+채널, Ca2+채널, K+채널, Cl-채널로 나누어진다. 이러한 세포의 이온채널들의 동시다발적인 작용으로 인하여 세포막을 경계로 이온들의 농도차(전기화학적 전위차)가 형성되고, 이온의 이동으로 인한 세포 활동전위가 생성되어 전달되며 심근세포의 수축/이완 기전의 원인이 된다. The cell membrane of myocardial cells surrounds the intracellular organelles and has a structure in which a sparse protein is embedded in the phospholipid. Through this cell membrane, various substances come into the cell, and some of them have charged ions. Ions do not go directly into and out of the cell membrane, but they come in and out through the membrane proteins. The protein is called a channel protein, and the ion channel through the channel protein is called an ion channel. The ion channel is divided into Na + channel, Ca 2+ channel, K + channel and Cl - channel depending on the type of ions passing through. Because of the simultaneous action of these ion channels on the cell walls, the concentration difference (electrochemical potential difference) of ions is formed through the cell membrane, the cell action potential due to ion migration is generated and transmitted, and the contraction / relaxation mechanism It causes.

심근세포의 수축력발생은 주로 활동전위(AP: action potential)의 세포질 내 칼슘농도와 밀접히 연관되어 있다. 즉 활동전위의 작용으로 인한 세포막 전위의 탈분극 현상이 생기며 이로 인하여 T-tubule(심근세포 내 소기관의 하나)에서의 칼슘이온채널이 열리게 된다. 이를 통해 미소량의 칼슘이온이 세포질내로 유입되면 세포내 칼슘의 저장고인 근장그물(Sarcoplasmic recticulum, SR)에서 실제수축에 필요한 정도의 많은 칼슘을 방출하도록 유도한다(CICR, calcium induce calcium release). 세포 내 칼슘농도가 증가하면 칼슘이 troponin C에 결합하여 myosin(thick filament)의 cross-bridge가 actin(thinfilament)에 부착될 수 있도록 한다. 이후 ATP(adenosine triphosphate) 존재 하에서 cross-bridge의 수축이 이루어지는데, 이것이 바로 힘 발생의 원동력이 된다. 활동전위가 종결되면 세포 내 칼슘은 주로 SR의 칼슘펌프에 의해 SR 내부로 되돌아오며, 일부는 세포막의 Na/Ca 교환 기전에 의해 세포 외부로 방출된다.
The contraction of myocardial cells is closely related to the intracellular calcium concentration of action potential (AP). In other words, depolarization of cell membrane potential due to the action of action potential occurs, resulting in the opening of the calcium ion channel in the T-tubule (one of the myocardial organelles). In this way, when a small amount of calcium ions are introduced into the cytoplasm, the sarcoplasmic recti (SR), which is a reservoir of intracellular calcium, induces a release of calcium (CICR, calcium induce calcium release) necessary for actual shrinkage. As the intracellular calcium concentration increases, calcium binds to troponin C, allowing the cross-bridge of myosin (thick filament) to attach to actin (thinfilament). This is followed by the contraction of the cross-bridge in the presence of ATP (adenosine triphosphate), which is the driving force of the force generation. When the action potential is terminated, the intracellular calcium is returned to the inside of the SR mainly by the SR calcium pump, and some of it is released to the outside of the cell by the Na / Ca exchange mechanism of the cell membrane.

한편, 이온채널을 구성하고 있는 단백질이 유전자 돌연변이로 인한 이온채널의 기능획득 (Gain-of-function), 기능상실 (Loss-of-function)과 같은 이상 기능이 발생할 수 있는데, 이는 결국 부정맥과 같은 심장질환의 원인 중 하나로 밝혀져 있다. 하지만, 이러한 돌연변이로 인하여 심장부정맥까지 발현되는 기전은 명확히 밝혀져 있지 않으므로 현재까지의 심장부정맥의 치료방법에는 한계가 있다.
On the other hand, the proteins constituting the ion channel may cause abnormal functions such as gain-of-function and loss-of-function due to gene mutation, It is one of the causes of heart disease. However, the mechanism by which these arrhythmias are expressed due to these mutations is not clearly understood, and thus there are limitations in the methods of treating cardiac arrhythmias until now.

도 1은 종래의 심장 시뮬레이션 방법을 도시한 도면이다.1 is a diagram showing a conventional cardiac simulation method.

도 1을 참조하면, 종래의 심장 시뮬레이션 방법은 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델에 대한 시뮬레이션을 각각 개별적으로 진행한다.Referring to FIG. 1, a conventional cardiac simulation method performs a simulation for a single cell, a two-dimensional and a three-dimensional model, respectively.

또한, 종래의 심장 시뮬레이션 방법은, 돌연변이에 대한 시뮬레이션을 진행할 때도 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델 각각에 돌연변이 조건을 개별적으로 입력하는 방식이므로 개별적 해석 및 분석을 해야하는 불편함이 존재한다.
In addition, the conventional cardiac simulation method is inconvenient to perform individual analysis and analysis because it is a method of individually inputting mutation conditions in a single cell, a two-dimensional and a three-dimensional model even when a simulation for a mutation is performed do.

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 미리 계산된 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환, 즉 각 돌연변이 이온채널의 파라미터의 입력 변경만으로 각각의 유전자 돌연변이로 인한 단백질의 비정상적인 활동에 의해서 발생하는 부정맥을 파악할 수 있는 심장 시뮬레이션 방법 및 장치를 제공한다.Disclosure of the Invention The present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned technical problems, and it is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for correcting an abnormal activity of a protein due to mutation of each gene, A heart simulation method and apparatus capable of detecting an arrhythmia generated by a heart.

또한, 한 번의 파라미터 입력 변경만으로도, 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델을 한번에 통합적으로 시뮬레이션하여 통합적인 해석 및 분석이 가능한 심장 시뮬레이션 방법 및 장치를 제공한다.
The present invention also provides a cardiac simulation method and apparatus capable of integrally simulating a single cell, a two-dimensional, and a three-dimensional model all at once, and performing an integrated analysis and analysis by only changing a single parameter input.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체이온의 유입 및 유출에 의한 단일 심근세포의 전압변화를 <수학식 1>를 이용하여 연산하는 단계; 세포 내부와 세포 사이(interstitial) 두 연속 영역의 집합으로 정의되는 심장의 각 영역의 이온전류들은 세포막을 통해서 한 영역에서 다른 영역으로 흐르며, 세포 내부 공간에서 유출되는 전류가 세포 사이(interstitial) 영역으로 모두 유입되는 전류 보존법칙을 토대로 <수학식 2>를 연산하고, <수학식 3>을 통해 체적당 공간전류를 연산하며, <수학식 4>를 통해 세포막 전류를 연산하는 단계; 세포막 전위에 대한 반응-확산(reaction-diffusion) 방정식인 <수학식 5>를 이용하여 심장 전기전도를 연산하는 단계; 유한요소법을 사용하며, <수학식 5>에 Galerkin 방법을 적용하고, 시간 항에 대한 Euler 전진차분법을 사용하여, 격자점(mesh point)들에서의 상태값을 변수로 하는 연립대수방정식인 <수학식 6>을 도출하는 단계; 및 <수학식 1>의 INa , ICaL, Ito, IKr , IK , IK1 , INaCa , INaK , IpCa IpK , IbCa , IbK 중 선택된 하나 또는 복수의 전류를 심근세포의 돌연변이에 의해 미리 계산된 각각의 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환하여 시뮬레이션 하는 단계;를 포함하는 심장 시뮬레이션 방법이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method for controlling a blood vessel, comprising: calculating a voltage change of single myocardial cells due to inflow and outflow of bio-ions using Equation (1); Ionic currents in each region of the heart, defined as a set of interstitial and interstitial regions, flow from one region to another through the cell membrane, and the current flowing out of the cell's interior space is the interstitial region Computing Equation (2) based on the current conservation law, computing a spatial current per volume through Equation (3), and calculating a cell current through Equation (4); Calculating heart conduction using Equation (5), which is a reaction-diffusion equation for cell membrane potential; The Galerkin method is applied to Equation (5) using the finite element method, and the Euler forward difference method for the time term is used to calculate the algebraic algebraic equation of the state value at the mesh points as a variable, Deriving Equation (6); And I Na , I CaL, I to, I Kr , I K , I K1 , I NaCa , I NaK , I pCa I pK , I b C a , I b K And replacing the selected one or plurality of currents with a mathematical model of each mutant ion channel previously calculated by mutation of myocardial cells.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

Figure 112015018637915-pat00001
Figure 112015018637915-pat00001

Figure 112015018637915-pat00002
Figure 112015018637915-pat00002

Cm은 단위 표적당 세포막의 전기적 캐패시턴스, Vm 는 세포의 전압, Iion은 세포로 유입되는 총 생체이온 전류이며, Istim 은 세포의 흥분을 유도하기 위한 자극전류(perturbation current)의 유출입임.(Iion 은 세포모델과 채널형태에 따라 변경됨.)C m is the electrical capacitance of the cell membrane per unit cell, V m is the voltage of the cell, I ion is the total bio-ion current flowing into the cell, and I stim is the flow of perturbation current to induce excitation of the cell. (I ion changes depending on cell model and channel type.)

INa 는 the fast inward Na+ current, IKl 는 inward rectifier K+ current, Ito 는 transient outward K+ current, I Kur 는 ultrarapid delayed rectifier K+ current, I Kr 는 rapid delayed rectifier K+ current, I Ks 는 slow delayed rectifier K+ current, I Ca,L 는 L-type inward Ca2+ current, I NaCa 는 Na+/Ca2+ exchanger current, I NaK 는 Na+/K+ pump current, I p,Ca 는 plateau current, 그리고 I b,Na 와 I b,Ca 는 각각 background Na+와 Ca2+ currents 를 나타냄. I Na is the fast inward Na + current, I Kl is inward rectifier K + current, I to the transient outward K + current, I Kur is ultrarapid delayed rectifier K + current, I Kr is rapid delayed rectifier K + current, I Ks is slow delayed rectifier K + current, I Ca, L is L-type inward Ca 2+ current, I NaCa is Na + / Ca 2+ exchanger current, I NaK is Na + / K + pump current, I p, Ca is plateau current, and I b, Na and I b, Ca represent background Na + and Ca 2+ currents, respectively.

<수학식 2>&Quot; (2) &quot;

Figure 112015018637915-pat00003
Figure 112015018637915-pat00003

x 는 공간좌표벡터이고, J는 단위면적당 전류밀도를 의미함, 첨자 i와 e는 각각 세포내 공간과 세포 사이(interstitial) 공간을 의미함. where x is the spatial coordinate vector, J is the current density per unit area, and subscripts i and e denote intracellular space and interstitial space, respectively.

<수학식 3>&Quot; (3) &quot;

Figure 112015018637915-pat00004
Figure 112015018637915-pat00004

Iv(x,t)는 단위 체적당 공간 전류이고, φ는 전기포텐셜이고, 체적 전도체에 대하여 M(x)는 3x3의 전기전도 텐서임.I v ( x , t) is the spatial current per unit volume, φ is the electric potential, and M ( x ) for the volume conductor is the 3 × 3 electric conduction tensor.

<수학식 4>&Quot; (4) &quot;

Figure 112015018637915-pat00005
Figure 112015018637915-pat00005

Im(x,t)는 세포막 전류이고, Cm 은 단위면적당 세포막의 정전용량이고, Iapp(x,t) 은 단위면적당 가해준 자극전류이고, V(x,t)는 φi - φe 로 정의되는 세포막 전위이고, Iion(x,t) 은 단위면적당 이온전류의 합으로서 채널 형태에 따라서 달라지며 이온 전류들 및 관련된 상수들에 관한 정보는 상술한 단일 심근세포 모델을 기반으로 함.I m (x, t) is the plasma membrane currents, and is C m is the capacitance per unit surface area membranes, I app (x, t) is given stimulation current applied per unit area, V (x, t) is φ i - φ e , and I ion ( x , t) is the sum of ion currents per unit area, which depends on the channel type. Information on ion currents and related constants is based on the above-described single myocardial cell model .

<수학식 5>Equation (5)

Figure 112015018637915-pat00006
Figure 112015018637915-pat00006

Iapp(x,t) 은 단위면적당 가해준 자극전류이고, V(x,t)는 φi - φe 로 정의되는 세포막 전위이고, Iion(x,t) 은 단위면적당 이온전류의 합으로서 채널 형태에 따라서 달라지며 이온 전류들 및 관련된 상수들에 관한 정보는 상술한 단일 심근세포 모델을 기반으로 함, β는 체적에 대한 면적비이고, k는 근섬유의 방향에 따른 물성치 차이를 표현해 주는 비등방성임. And I app (x, t) is given stimulation current applied per unit area, V (x, t) is φ i - a cell membrane potential which is defined as φ e, I ion (x, t) is a sum of the per unit area of the ion current The information about ion currents and related constants is based on the single cardiomyocyte model described above, β is the area ratio to volume, and k is anisotropic, which expresses the difference in physical properties with respect to the direction of the muscle fiber .

<수학식 6>&Quot; (6) &quot;

Figure 112015018637915-pat00007
Figure 112015018637915-pat00007

K는 강성행렬, X는 각 격자점에서의 변수값 벡터, R은 외력항을 의미하며, Newton-Raphson 방법을 사용하여 각 시간에 따른 해를 구함.
K is a stiffness matrix, X is a variable value vector at each lattice point, R is an external force term, and a solution according to each time is obtained using the Newton-Raphson method.

또한, 미리 계산된 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환하여 시뮬레이션 하는 단계는, KCNH2 유전자 돌연변이를 일으키는 L532P와 N588K 변이에 대한 IKr 의 이온채널의 수식모델인 <수학식 7>로 치환하여 돌연변이 심근세포의 활동전위 및 각 이온채널별 전류를 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 하는 심장 시뮬레이션 방법이 제공된다.Also, the step of simulating replacing the previously calculated mutant ion channel with a mathematical model can be used for the mutation of L532P and N588K, which cause mutation of KCNH2 gene (7), which is a mathematical expression model of an ion channel of I Kr , to simulate the action potential of the mutant myocardial cells and the current per ion channel.

<수학식 7>&Quot; (7) &quot;

Figure 112015018637915-pat00008
Figure 112015018637915-pat00008

Figure 112015018637915-pat00009
Figure 112015018637915-pat00009

Figure 112015018637915-pat00010
Figure 112015018637915-pat00010

Figure 112015018637915-pat00011
Figure 112015018637915-pat00011

Figure 112015018637915-pat00012
Figure 112015018637915-pat00012

I K ,r 은 rapid delayed outward rectifier K+ current이며, x r1 x r2 는 각각 activation, inactivation gating variable, α x_ r1 β x_ r1 은 각각 forward, backward rate constant for gating varialbe 이며, τ x_ r2 은 time constant for gating variable, P 1 ~ P 11 은 WT와 MT(N588K, L532P)에 대한 실험값임.
I K, r is the rapid delayed outward rectifier K + current is, x r1 and x r2 are each activation, inactivation gating variable, α x_ r1 and β x_ r1 is a forward, backward rate constant for gating varialbe respectively, τ x_ r2 is time constant for gating variable, P 1 ~ P 11 is an experimental value for WT and MT (N588K, L532P).

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 심장 시뮬레이션 방법을 이용하여 연산된 활동전위와 그 전도패턴을 시간의 변화 및 공간을 기준으로 이차원 또는 삼차원 영상으로 디스플레이하는 심장 시뮬레이션 장치가 제공된다.
According to another embodiment of the present invention, there is provided a cardiac simulation apparatus for displaying an action potential calculated using a cardiac simulation method and a conductive pattern thereof in a two-dimensional or three-dimensional image based on a change in time and space.

본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는, 이온채널의 기능이 포함된 심근세포의 활동전위 시뮬레이션이 가능한 단일세포 모델을 제안하고 이를 바탕으로 생체전기신호 전도 알고리즘이 포함된 2차원 세포 조직모델을 제안한다. 또한, 의료영상기반 3차원 심장모델을 구축한 후 세포모델을 대입한 3차원 심장 시뮬레이터를 제안한다.A cardiac simulation method and apparatus according to an embodiment of the present invention proposes a single cell model capable of simulating the action potential of myocardial cells including the function of an ion channel, and based thereon, a two-dimensional cell tissue We propose a model. In addition, we propose a 3 - D cardiac simulator based on a medical image - based 3D cardiac model.

또한, 유전자 돌연변이로 인한 심근세포의 이온채널의 기능 이상으로 야기된 심장부정맥의 발생 여부를 예측하기 위한 시뮬레이션 방법 및 장치를 제안하여 심장 부정맥과 심근세포의 유전자돌연변이에 관한 연관성을 분석하고 이를 예방 및 치료하기 위한 방법을 모색하는데 도움이 될 수 있다.In addition, a simulation method and apparatus for predicting the occurrence of cardiac arrhythmia caused by abnormal function of the ion channel of myocardial cell due to gene mutation is proposed, and the correlation between the cardiac arrhythmia and myocardial cell gene mutation is analyzed, It can help to find a way to treat.

또한, 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는 세포의 특성을 간단하게 파라미터 입력 방식으로 변경할 수 있도록 제안되어 기존의 다양한 심장질환 별 심근세포의 특성 조건들의 재현이 가능하고 특히, 유전자 돌연변이에 대한 이온채널의 변형된 기능을 모사하기 위하여 함수화된 이온채널 조건을 대입하여 이에 따른 단일 심근세포의 활동전위 생성과 각 이온채널의 전류를 시뮬레이션 및 분석이 가능하도록 제안되었다. 시뮬레이션 결과는 데이터 후처리를 통하여 심장의 활동전위 및 수축현상을 화면을 통한 시각화가 가능하다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는 한 번의 파라미터 입력 변경만으로도, 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델을 한번에 통합적으로 시뮬레이션하여 통합적인 해석 및 분석이 가능하다.In addition, the cardiac simulation method and apparatus are proposed to easily change the characteristics of the cell into the parameter input method, and it is possible to reproduce the characteristic conditions of the existing myocardial cells according to various heart diseases. In particular, In order to simulate the function, it is proposed to substitute the functionalized ion channel condition and to simulate and analyze the action potential generation of each single myocardial cell and the current of each ion channel. Simulation results show that cardiac activity potential and contraction phenomenon can be visualized through data post-processing. That is, in the cardiac simulation method and apparatus according to the embodiment of the present invention, a single cell, a two-dimensional and a three-dimensional model can be integrally simulated at one time and integrated analysis and analysis can be performed by only changing one parameter input.

즉, 본 발명의 실시예에서 제안한 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는, 심장부정맥 발생 기전 규명에 관한 연구에 도움이 될 수 있다. 또한, 치료약물 개발 및 독성 규명에 대한 임상시험 대체할 수 있다. 또한, 환자 맞춤형 부정맥 진단 보조를 수행할 수 있다.
That is, the cardiac simulation method and apparatus proposed in the embodiment of the present invention can be helpful in studying the mechanism of the cardiac arrhythmogenesis. In addition, clinical trials for therapeutic drug development and toxicity identification can be substituted. In addition, patient-assisted arrhythmia diagnosis assistance can be performed.

도 1은 종래의 심장 시뮬레이션 방법을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법을 도시한 도면.
도 3은 세포모델의 영향을 나타낸 그래프.
도 4는 2차원 조직모델에서의 spiral wave activity와 action potential shape.
도 5는 3차원 좌심방모델에서의 spiral wave activity와 action potential shape.
도 6은 취약점(vulnerable)을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 L532P와 N588K 유전자 돌연변이에 대한 IKr 의 이온채널의 수식모델을 단일 심근세포 모델에 적용한 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 심실세포의 epicardium, Mid myocardium, endocardium 의 활동전위를 나타낸 도면.
도 9는 심방세포의 활동전위를 나타낸 도면.
도 10은 정상상태의 활동전위에 대한 각 이온채녈 별 이온전류의 형태와, 비정상적인 활동전위에 따른 특정 이온전류의 형태를 나타낸 도면.
도 11은 KCNQ1 G229D 돌연변이에 대한 심장 2차원 조직모델 시뮬레이션 도면.
도 12는 심실세동(VF, ventricular fibrillation) 병리 모델의 심방(좌측)과 심실(우측) 3차원 시뮬레이션 도면.
1 shows a conventional cardiac simulation method;
Figure 2 illustrates a cardiac simulation method in accordance with an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the effect of a cell model.
Figure 4 shows the spiral wave activity and action potential shape in a two-dimensional tissue model.
FIG. 5 shows the spiral wave activity and action potential shape in a three-dimensional left atrial model.
Figure 6 is a graph depicting a vulnerability.
FIG. 7 is a graph showing the effect of the L532P and N588K gene mutations A graph showing the results of applying the ion channel model of I Kr to a single myocardial cell model.
8 is a diagram showing the action potentials of epicardium, Mid myocardium, and endocardium of ventricular cells.
9 is a graph showing the action potential of atrial cells.
FIG. 10 is a diagram showing the form of ion currents for each ion channel with respect to the action potential in a steady state, and the form of a specific ion current according to an abnormal action potential. FIG.
Figure 11 is a cardiac two-dimensional tissue model simulation plot for KCNQ1 G229D mutation.
FIG. 12 is a three-dimensional simulation drawing of an atrium (left) and a ventricle (right) of a ventricular fibrillation (VF) pathology model.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법을 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a cardiac simulation method according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는, 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델을 한번에 통합적으로 시뮬레이션하여 통합적인 해석 및 분석이 가능하다.Referring to FIG. 2, a cardiac simulation method and apparatus according to an embodiment of the present invention can integrally simulate a single cell, a two-dimensional and a three-dimensional model at a time, and perform an integrated analysis and analysis.

본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치에 대해서 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 실시예에서는 KCNH2 유전자 돌연변이를 일으키는 L532P와 N588K 변이를 파라미터 입력 변경만으로, 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델을 한번에 통합적으로 시뮬레이션 할 수 있는 심장 시뮬레이션 방법 및 장치를 주로 설명하기로 한다. 물론 파라미터 입력 변경을 통해 다른 유전자 돌연변이의 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델을 한번에 통합적으로 시뮬레이션 할 수도 있을 것이다.
The heart simulation method and apparatus according to the embodiment of the present invention will be described in detail as follows. The present embodiment mainly describes a heart simulation method and apparatus capable of integrally simulating a single cell, a two-dimensional and a three-dimensional model at a time by changing the parameter inputs of the L532P and N588K mutations causing the mutation of the KCNH2 gene do. Of course, it is possible to simulate single cells, two-dimensional and three-dimensional models of different gene mutations at once by changing parameter inputs.

심근세포의 기능은 전기적 흥분과 기계적 수축이며 이것은 서로 밀접히 연관되어 있다. 먼저 세포의 전기적 흥분을 수치 해석적으로 모사하기 위해서는 생체이온((Na+, K+, Ca2 +, Cl- 등)들의 유출입 및 이에 의한 세포의 전압변화에 대한 모델이 필요하다.The function of myocardial cells is electrical excitation and mechanical contraction, which are closely related to each other. In order to simulate the electrical excitation of cells, we need a model for the influx of biological ions (Na + , K + , Ca 2 + , Cl -, etc.) and cell voltage change.

전기를 띄고 있는 생체이온들이 세포내로 유입되거나 혹은 세포 밖으로의 유출되면 세포내의 전압이 변화하며, 이를 기술하기 위한 방정식은 <수학식 1>과 같이 기술된다. 즉, 생체이온의 유입 및 유출에 의한 단일 심근세포의 전압변화를 <수학식 1>를 이용하여 연산하는 단계가 이루어질 수 있다.When the biomolecules having electricity are introduced into the cell or out of the cell, the voltage in the cell changes, and an equation for describing the same is described in Equation (1). That is, a step of calculating the voltage change of single myocardial cell due to the inflow and outflow of bio-ions using Equation (1) can be performed.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

Figure 112015018637915-pat00013
Figure 112015018637915-pat00013

Figure 112015018637915-pat00014
Figure 112015018637915-pat00014

Cm은 단위 표적당 세포막의 전기적 캐패시턴스, Vm 는 세포의 전압, Iion은 세포로 유입되는 총 생체이온 전류이며, Istim 은 세포의 흥분을 유도하기 위한 자극전류(perturbation current)의 유출입이다. Iion 은 세포모델과 채널형태에 따라 조금씩 달라진다.C m is the electrical capacitance of the cell membrane per unit cell, V m is the cell voltage, I ion is the total bio-ion current flowing into the cell, and Istim is the inflow of perturbation current to induce cell excitation. I ion varies slightly depending on the cell model and channel type.

본 실시예에서 인체 심방세포 모델은 Courtemanche-Ramirez-Nattel모델을 사용했으며, 이에 따른 심방세포의 Iion 은 수학식 1과 같이 도출된다.In the present embodiment, the human atrium cell model was the Courtemanche-Ramirez-Nattel model, and the atrial ion of the atrial cell Is derived as shown in Equation (1).

수학식 1에서 INa 는 the fast inward Na+ current, IKl 는 inward rectifier K+ current, Ito 는 transient outward K+ current, I Kur 는 ultrarapid delayed rectifier K+ current, I Kr 는 rapid delayed rectifier K+ current, I Ks 는 slow delayed rectifier K+ current, I Ca,L 는 L-type inward Ca2+ current, I NaCa 는 Na+/Ca2+ exchanger current, I NaK 는 Na+/K+ pump current, I p,Ca 는 plateau current, 그리고 I b,Na 와 I b,Ca 는 각각 background Na+와 Ca2+ currents 를 나타낸다. I Na in formula (1) is the fast inward Na + current, I Kl is inward rectifier K + current, I to the transient outward K + current, I Kur is ultrarapid delayed rectifier K + current, I Kr is rapid delayed rectifier K + current , I Ks is slow delayed rectifier K + current, I Ca, L is L-type inward Ca 2+ current, I NaCa is Na + / Ca 2+ exchanger current, I NaK is Na + / K + pump current, I p , Ca is plateau current, and I b, Na and I b, Ca represent background Na + and Ca 2+ currents, respectively.

<수학식 1>에서 세포에 대한 자극전류(Istim)라는 입력조건이 주어지면, 출력으로서 전압 및 칼슘농도의 시간적 변화를 얻을 수 있다.Given an input condition of stimulation current (I stim ) for a cell in Equation (1), a temporal change in voltage and calcium concentration can be obtained as an output.

참고적으로, 이온채널 단백질의 유전자 돌연변이를 일으키게 되면 수학식 1의 이온채널 중 한 항의 수식이 변경되어 전체적인 세포 활동전위의 변화가 야기된다. 각 채널의 이온 전류가 달라지며 세포 활동전위의 탈분극 진폭(depolarization amplitude)이 짧아지거나 고조기(plateau) 지속시간이 줄어들어 전체적인 세포모델의 활동전위 및 전기적 특성이 달라지게 된다.
For reference, when a gene mutation of an ion channel protein is caused, the formula of one of the ion channels of Equation (1) is changed to cause a change in the whole cell activity potential. The ion currents of the respective channels are changed, and the depolarization amplitude of the cell action potential is shortened or the duration of the plateau is shortened, thereby changing the action potential and electrical characteristics of the whole cell model.

다음으로, 심방 및 심실의 전기적 전도는 일반적으로 bidomain method 모델로 해석된다. 심장 조직은 공간적으로 세포 내와 세포 사이(interstitial)의 두 연속 영역으로 나누어진다. 각 영역은 마치 특정한 체적평균 전위장, 전류와 전기전도텐서를 가진 체적컨덕터처럼 행동한다. 이온 전류들은 세포막을 통하여 하나의 영역으로부터 다른 영역으로 흐르고, 세포내 공간을 나가는 전류는 모두 세포 사이(interstitial) 영역으로 들어가야 한다는 전류 보존으로부터 이중 영역에 대한 식을 유도할 수 있다. 즉, 세포 내부와 세포 사이(interstitial) 두 연속 영역의 집합으로 정의되는 심장의 각 영역의 이온 전류들은 세포막을 통해서 한 영역에서 다른 영역으로 흐르며, 세포 내부 공간에서 유출되는 전류가 세포 사이(interstitial) 영역으로 모두 유입되는 전류 보존법칙을 토대로 <수학식 2>를 연산하는 단계가 이루어질 수 있다.Next, electrical conduction of the atria and ventricles is generally interpreted as a bidomain method model. Cardiac tissue is spatially divided into two continuous areas, intracellular and interstitial. Each region behaves as if it is a volumetric conductor with a specific volume average galvanic field, current and electric conduction tensor. Ionic currents can flow from one region to another through the cell membrane and induce an expression for the dual region from the current retention that all currents leaving the intracellular space must enter the interstitial region. In other words, ionic currents in each region of the heart, defined as a set of interstitial and interstitial regions, flow from one region to another through the cell membrane, The equation (2) can be calculated based on the current conservation law that flows into the region.

<수학식 2>&Quot; (2) &quot;

Figure 112015018637915-pat00015
Figure 112015018637915-pat00015

x 는 공간좌표벡터이고, J는 단위면적당 전류밀도를 의미함, 첨자 i와 e는 각각 세포내 공간과 세포 사이(interstitial) 공간을 의미한다. 또한, <수학식 3>을 통해 체적당 공간전류를 연산하며, <수학식 4>를 통해 세포막 전류를 연산하는 단계가 이루어질 수 있다.where x is the spatial coordinate vector, J is the current density per unit area, and subscripts i and e represent intracellular space and interstitial space, respectively. Also, the step of computing the cell current through Equation (3) can be performed by calculating the spatial current per volume through Equation (3).

<수학식 3>&Quot; (3) &quot;

Figure 112015018637915-pat00016
Figure 112015018637915-pat00016

Iv(x,t)는 단위 체적당 공간 전류이고, φ는 전기포텐셜이고, 체적 전도체에 대하여 M(x)는 3x3의 전기전도 텐서이다.I v (x, t) is the spatial current per unit volume, φ is the electric potential, and M (x) for the volume conductor is the electric conduction tensor of 3 × 3.

<수학식 4>&Quot; (4) &quot;

Figure 112015018637915-pat00017
Figure 112015018637915-pat00017

Im(x,t)는 세포막 전류이고, Cm 은 단위면적당 세포막의 정전용량이고, Iapp(x,t) 은 단위면적당 가해준 자극전류이고, V(x,t)는 φi - φe 로 정의되는 세포막 전위이고, Iion(x,t) 은 단위면적당 이온전류의 합으로서 채널 형태에 따라서 달라지며 이온 전류들 및 관련된 상수들에 관한 정보는 상술한 단일 심근세포 모델을 기반으로 한다.
I m (x, t) is the plasma membrane currents, and is C m is the capacitance per unit surface area membranes, I app (x, t) is given stimulation current applied per unit area, V (x, t) is φ i - φ e , and I ion (x, t) is the sum of ion currents per unit area, which depends on the channel type, and information on ion currents and related constants is based on the above-described single myocardial cell model .

다음으로, 심장에서의 전기전도는 최종적으로 <수학식 5>와 같이 세포막 전위에 대한 반응-확산(reaction-diffusion)방정식으로 유도된다. 즉, 세포막 전위에 대한 반응-확산(reaction-diffusion) 방정식인 <수학식 5>를 이용하여 심장 전기전도를 연산하는 단계가 이루질 수 있다.Next, the electrical conduction in the heart is finally induced into a reaction-diffusion equation for the cell membrane potential as shown in Equation (5). That is, a step of calculating the cardiac conduction can be performed using Equation (5), which is a reaction-diffusion equation for the cell membrane potential.

<수학식 5>Equation (5)

Figure 112015018637915-pat00018
Figure 112015018637915-pat00018

Iapp(x,t) 은 단위면적당 가해준 자극전류이고, V(x,t)는 φi - φe 로 정의되는 세포막 전위이고, Iion(x,t) 은 단위면적당 이온전류의 합으로서 채널 형태에 따라서 달라지며 이온 전류들 및 관련된 상수들에 관한 정보는 상술한 단일 심근세포 모델을 기반으로 한다. β는 체적에 대한 면적비이고, k는 근섬유의 방향에 따른 물성치 차이를 표현해 주는 비등방성이다.
And I app (x, t) is given stimulation current applied per unit area, V (x, t) is φ i - a cell membrane potential which is defined as φ e, I ion (x, t) is a sum of the per unit area of the ion current Depending on the channel type, information on ion currents and related constants is based on the single-myocardial cell model described above. β is the area ratio with respect to the volume, and k is anisotropy expressing the difference of the physical properties according to the direction of the muscle fiber.

다음으로, <수학식 5>를 풀기 위하여 유한요소법을 사용하며, <수학식 5>에 Galerkin 방법을 적용하고, 시간 항에 대한 Euler 전진차분법을 사용하면 <수학식 6>와 같이 격자점(mesh point)들에서의 상태값을 변수로 하는 연립대수방정식이 도출된다. 즉, 유한요소법을 사용하며, <수학식 5>에 Galerkin 방법을 적용하고, 시간 항에 대한 Euler 전진차분법을 사용하여, 격자점(mesh point)들에서의 상태값을 변수로 하는 연립대수방정식인 <수학식 6>를 도출하는 단계가 수행될 수 있다.Next, using the finite element method to solve Equation (5), applying the Galerkin method to Equation (5), and using Euler forward difference method for the time term, Algebraic algebraic equations with state values at mesh points as variables are derived. That is, the Galerkin method is applied to Equation (5) using the finite element method, and the Euler forward difference method for the time term is used to calculate the Algebraic Algebraic Equation using state values at the mesh points as variables The step of deriving Equation (6) can be performed.

<수학식 6>&Quot; (6) &quot;

Figure 112015018637915-pat00019
Figure 112015018637915-pat00019

K는 강성행렬, X는 각 격자점에서의 변수값 벡터, R은 외력항을 의미하며, Newton-Raphson 방법을 사용하여 각 시간에 따른 해를 구한다.
K is a stiffness matrix, X is a vector of variable values at each grid point, and R is an external force term. The solution is obtained by using the Newton-Raphson method.

마지막으로, 심근세포의 patch-clamp 실험 및 기 실험한 문헌을 통하여 도출된 심근세포의 돌연변이 이온채널 각각의 기능들을 수학적 모델로 구현한다. 구현된 수학적 모델을 정상 단일 심근세포 모델의 정상 이온채널 수식모델에 교체 혹은 추가 이식한 후, 시뮬레이션에 필요한 세포 조건들을 파라미터 구성 파일에 입력한다. 즉, <수학식 1>의 INa, ICaL, Ito, IKr, IK, IK1, INaCa, INaK, IpCa IpK, IbCa, IbK 중 선택된 하나 또는 복수의 전류를 심근세포의 돌연변이에 의해 미리 계산된 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환하여 시뮬레이션 하는 단계가 수행될 수 있다.
Finally, the functions of each of the mutant ion channels of the myocardial cells derived from the patch-clamp experiments and the experimental literature of myocardial cells are implemented as a mathematical model. After replacing or further implanting the implemented mathematical model into the normal ion channel model of the normal single myocardial cell model, the cell conditions required for the simulation are entered into the parameter configuration file. That is, one or a plurality of currents selected from among I Na, I CaL, I to, I Kr, I K, I K1, I NaCa, I NaK, I pCa I pK, I bCa and I bK of Equation A step of simulating the substitution of a mathematical model of a previously calculated mutant ion channel by the mutation of myocardial cells can be performed.

즉, 미리 계산된 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환하여 시뮬레이션 하는 단계는,That is, the step of replacing the previously calculated mutant ion channel with the mathematical model of the mutant ion channel,

예를 들어 KCNH2 유전자 돌연변이를 일으키는 L532P와 N588K 변이에 대한 IKr 의 이온채널의 수식모델인 <수학식 7>로 치환하여 돌연변이 심근세포의 활동전위 및 각 이온채널별 전류를 시뮬레이션 할 수 있으며, 변경된 조건에 대한 단일 심근세포 시뮬레이션을 수행하여 돌연변이 심근 세포의 활동전위 및 각 이온채널별 전류를 관찰 분석할 수 있다.For example, for L532P and N588K mutations causing mutations in the KCNH2 gene The substitution of Equation (7) for the ion channel of I Kr can simulate the action potential of the mutant myocardial cells and the current for each ion channel, and simulate single myocardial cells for the modified conditions to obtain mutant myocardial cells The action potential and the current for each ion channel can be observed and analyzed.

<수학식 7>&Quot; (7) &quot;

Figure 112015018637915-pat00020
Figure 112015018637915-pat00020

Figure 112015018637915-pat00021
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Figure 112015018637915-pat00022
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Figure 112015018637915-pat00023
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Figure 112015018637915-pat00024

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수학식 7에서 I Kr 은 rapid delayed outward rectifier K+ current이며, x r1 x r2 는 각각 activation, inactivation gating variable이다. α x_ r1 β x_ r1 은 각각 forward, backward rate constant for gating varialbe 이며, τ x_ r2 은 time constant for gating variable이다. P 1 ~ P 11 은 WT와 MT(N588K, L532P)에 대한 실험값이다.
In Equation 7, I Kr is a rapid delayed outward rectifier K + current, and x r1 and x r2 are activation and inactivation gating variables, respectively. α and β x_ x_ is r1 r1 is forward, backward rate constant for gating varialbe respectively, τ is the time constant for gating x_ r2 variable. P 1 ~ P 11 is an experimental value for WT and MT (N588K, L532P).

KCNH2 유전자 돌연변이를 일으키는 L532P와 N588K 변이에 대한 시뮬레이션 방법에 대해서 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다.The simulation of the mutations of L532P and N588K that cause KCNH2 gene mutation will be described in more detail as follows.

심방 부정맥은 전기적 신호 발생과 전달에 이상이 생기면서 발생하는 대표적 심장관련 질환으로서 이는 심방세동으로 발전하여 사망에 이르게 될 수 있다. 이러한 원인 중에는 이온채널의 유전적 결함으로 인해 심근 재분극 장애가 발생되는 기전이 알려져 있다. 부정맥과 관련된 유전자 돌연변이는 지속적인 연구로 인해 여러 종류가 밝혀졌는데, 이중 대표적인 유전적 질환 중 하나로서 KCNH2 유전자 돌연변이가 있다. 이 돌연변이는 rapid delayed rectifier potassium channel(IKr) 의 저해를 일으켜 비정상 QT interval을 유발하는 부정맥관련 유전질환이다. Atrial arrhythmia is a typical cardiac disorder caused by abnormal electrical signaling and transmission, which can lead to atrial fibrillation leading to death. Among these causes, it is known that the myocardial repolarization disorder occurs due to the genetic defect of the ion channel. Gene mutations associated with arrhythmia have been identified by several studies, including mutations in the KCNH2 gene, one of the most common genetic disorders. This mutation is an arrhythmia-related genetic disorder that causes an abnormal QT interval by inhibiting the rapid delayed rectifier potassium channel (I Kr ).

본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는 KCNH2 유전자 돌연변이가 심방 부정맥을 유발하는 연관성을 검증할 수 있다. 이를 위해 CRN 세포모델에 N588K, L532P 변이를 적용한 뒤, 2차원과 3차원 시뮬레이션을 진행하여 wild-type(WT)과 mutant-type(MT)의 전기전도 패턴을 비교한다. 패턴 비교결과 WT의 전도파형이 일찍 self-termination 되는 것과 대조적으로 MT는 전도파형이 reentrant wave를 유지하거나(N588K) spiral break-up 이 발생되어 불규칙적인 wave가 발생되었다(L532P). 따라서 본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치를 통해 KCNH2 유전자 돌연변이가 심방조직의 취약성(vulnerability)을 증가시켜 부정맥의 요인이 됨을 확인하였다.
The cardiac simulation method and apparatus according to the embodiment of the present invention can verify the correlation that the KCNH2 gene mutation causes atrial arrhythmia. To this end, two-dimensional and three-dimensional simulations are performed after N588K and L532P mutations are applied to the CRN cell model, and the electrical conduction patterns of wild-type (WT) and mutant-type (MT) are compared. As a result of the pattern comparison, the conduction waveform of MT is self-terminated by early self-termination of WT, and the irregular wave is generated (L532P) because the conduction waveform maintains reentrant wave (N588K) or spiral break-up occurs. Thus, through the cardiac simulation method and apparatus according to the embodiment of the present invention, it was confirmed that KCNH2 gene mutation increases the vulnerability of atrial tissue and becomes a factor of arrhythmia.

한편, 부정맥은 심근세포들간의 동시성이 깨져 심장박동의 리듬이 비정상적인 것을 지칭한다. 부정맥이 지속될 경우 흥분과 수축이 조직 부위별로 제각기 발생하여 혈액을 효과적으로 분출시킬 수 없어 사망에 이르게 된다. 부정맥은 크게 전기신호 전도계의 장애, 심부전에 따른 부정맥, 전신질환으로 인한 이차적 부정맥, 그리고 유전자 이상으로 인한 부정맥 등 그 원인과 종류가 다양하다.Arrhythmia, on the other hand, refers to abnormal rhythm of heart rhythm when the synchrony between myocardial cells is broken. When arrhythmia persists, excitation and contraction occur at each tissue site, leading to death because the blood can not be ejected effectively. Arrhythmia is largely due to a variety of causes and types, including disturbances in electrical signal conduction systems, arrhythmias due to heart failure, secondary arrhythmias caused by systemic diseases, and arrhythmias due to gene abnormalities.

KCNH2 유전자 돌연변이는 SQTS 환자로부터 돌연변이가 확인된 첫 번째 유전자인데 심근세포에서 칼륨이온의 출입을 담당하는 IKr의 alpha-subuint을 부호화 하는 기능을 한다. 이 유전자는 심장과 신경조직에서 나타나는 활동전압의 변화를 조절하는 역할을 하며 특히, 심장 재분극의 중요한 요소로서 심장 박동수에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. KCNH2 돌연변이를 일으키는 기전으로 N588K와 N532P 변이가 있다. N588K는 KCNH2 채널 sub-unit(S5) 외측 입구에 존재하는 Residue N588의 음전하 asparagine (N) 이 양전하로 하전된 lysine(K)으로 치환된 세동 관련 gain-of-function 돌연변이다. 그리고 L532P는 KCNH2 채널의 voltage sensor (S4) 안에 위치한 Residue L532의 leucine (L) 이 proline (P) 으로 치환된 돌연변이이다. 이러한 변이로 인한 KCNH2이온채널의 변화는 심전도상의 QT 간격 이상을 발생시켜 심혈 관계 급성 돌연사를 일으키게 된다. 따라서 KCNH2 이온채널에 관련된 많은 실험을 통해 심장 부정맥과의 연계성을 밝혀내는 것은 매우 중요한 일이다. KCNH2이온채널의 실험적 측정은 많은 시간과 비용이 소요되는 단점이 있는데 이를 극복하기 위해 컴퓨터 예측 모델을 실험 대체 도구로 활용하는 방법이 있다.The KCNH2 gene mutation is the first gene to be mutated from SQTS patients and functions to encode the alpha-subunit of I Kr responsible for the entry and exit of potassium ions in myocardial cells. This gene plays a role in regulating the change in activity voltage in heart and nervous tissue, and is known to affect heart rate as an important factor in cardiac repolarization. The mechanism of KCNH2 mutation is N588K and N532P mutations. N588K is a focal-associated gain-of-function mutation in which the negatively charged asparagine (N) of Residue N588 at the outer entrance of the KCNH2 channel subunit (S5) is replaced by positively charged lysine (K). And L532P is a mutation in which the leucine (L) of Residue L532 located in the voltage sensor (S4) of the KCNH2 channel is replaced with proline (P). Changes in the KCNH2 ion channel caused by these mutations cause cardiac-acute acute sudden death resulting in abnormal QT intervals on the electrocardiogram. Therefore, it is very important to clarify the connection with cardiac arrhythmia through many experiments related to KCNH2 ion channel. Experimental measurement of KCNH2 ion channel has a disadvantage that it takes a lot of time and cost.

따라서 본 실시예에서는 KCNH2 이온채널 변이로 인한 심방 전기전도 패턴의 변화를 세포모델과 2차원 조직모델뿐만 아니라 3차원 심방모델에 적용하여 결과를 분석했다. 이를 위한 3차원 심방 geometry는 좌심방(LA)만을 가지고 모델링 했다. 왜냐하면, 일반적인 LA의 efective refractory period(ERP)는 우심방(RA)의 ERP보다 짧고 AF driver가 대부분 LA에 존재하기 때문에 AF는 LA disease로 보는 임상적 견해가 많기 때문이다. 그리하여 본 실시예에서는 선행 연구에서 측정된 IKr 돌연변이 실험값을 CRN 세포모델에 적용하여 N588K 와 L532P 변이 모델을 구축했으며 이를 3차원 유한요소 LA모델에 적용했다. 그리고 action potential duration (APD), restitution curve 및 vulnerable window 의 WT와 MT간 차이를 비교하여 KCNH2 이온채널 변이가 전부정맥(proarrhythmic)에 미치는 영향력을 분석하였다.Therefore, in this embodiment, the change of atrial conduction pattern due to KCNH2 ion channel mutation was applied to a three-dimensional atrium model as well as a cell model and a two-dimensional tissue model, and the results were analyzed. The three-dimensional atrium geometry was modeled with only the left atrium (LA). The reason for this is that AF has a clinical viewpoint as LA disease because the efective refractory period (ERP) of general LA is shorter than the ERP of right atrium (RA) and AF driver is mostly present in LA. Thus, in this example, the I Kr mutation experiment values measured in the previous study were applied to the CRN cell model, and the N588K and L532P mutation models were constructed and applied to the three-dimensional finite element LA model. The effect of KCNH2 ion channel variation on proarrhythmic was analyzed by comparing the difference between WT and MT of action potential duration (APD), restitution curve and vulnerable window.

Ito, ICaL, IKur current를 각각 80%, 30%, 90% 감소시키고 IKr를 50% 증가시키며 이를 통해 AF action potential는 실제 임상과 유사한 결과를 낳게 된다. 따라서 본 실시예에서는 실제 AF action potential을 모사하여 3D 좌심방모델에 구현하고자 CRN 세포모델을 수정했다.
To I, I CaL, I Kur sikimyeo current decreases, respectively 80%, 30%, 90% and increasing the I Kr 50% through which AF action potential is earned a result similar to the clinical. Therefore, in this embodiment, the CRN cell model is modified to simulate the actual AF action potential to be implemented in the 3D left atrial model.

유전자 변이로 인한 IKr 변화를 구현하기 위해 CRN 모델의 IKr 을 수정했다. 이를 위해 CRN 모델의 maximal IKr conductance, activation 및 inactivation gate value 그리고 α-subunit 및 β-subunit value 값을 기 측정된 유전자 변이 실험값으로 대입했다. L532P 변이는 Xenopus laevis oocyte를 double-electrode voltage-clamp로 측정된 실험값을 적용했으며, N588K 변이는 실온 37℃ 에서 측정된 Chinese hamster ovary cell 실험값을 적용했다. IKr에 N588K 및 L532P 유전자 변이를 적용한 CRN 모델에 대한 설명은 다음과 같다.
I Kr was modified to the CRN model in order to implement the changes I Kr caused by a gene mutation. For this, the maximal I Kr conductance, activation and inactivation gate value, and α-subunit and β-subunit value of the CRN model were substituted for the measured gene mutation experiments. The L532P mutation was applied to the Xenopus laevis oocyte by double-electrode voltage-clamp and the N588K mutation was applied to the Chinese hamster ovary cell measured at 37 ° C at room temperature. The CRN model using the N588K and L532P gene mutations in I Kr is as follows.

본 실시예에서 전기생리학적 3차원 좌심방모델을 활용해 KCNH2 변이 시뮬레이션을 수행했으며, 이를 위해 CRN 세포모델을 두 가지 측면으로 수정했다. 첫 번째로 수정된 ion currents를 세포모델에 적용했으며, 두 번째로 N588K 및 L532P 변이 임상데이터를 세포모델에 대입했다. 이렇게 수정된 세포모델을 대상으로 세포모델 및 조직모델 연구결과를 재현하여 검증했으며 이후, 해부학적 좌심방모델에 적용하여 KCNH2 돌연변이 현상을 관찰했다.
In this example, a KCNH2 mutation simulation was performed using an electrophysiologic three-dimensional atrial model. To this end, the CRN cell model was modified into two aspects. The first modified ion currents were applied to the cell model, and second, the N588K and L532P mutation clinical data were assigned to the cell model. This modified cell model was reproduced and validated for cell model and tissue model studies, and then applied to anatomic left atrial model to observe KCNH2 mutation.

도 3은 세포모델의 영향을 나타낸 그래프이고, 도 4는 2차원 조직모델에서의 spiral wave activity와 action potential shape 이고, 도 5는 3차원 좌심방모델에서의 spiral wave activity와 action potential shape 이고, 도 6은 취약점(vulnerable)을 나타낸 그래프이다.
FIG. 3 is a graph showing the influence of a cell model, FIG. 4 is a spiral wave activity and action potential shape in a two-dimensional tissue model, FIG. 5 is a spiral wave activity and action potential shape in a 3D- Is a graph showing a vulnerability.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 우선 modified CRN 세포모델의 영향은 AP(도 3의 a)와 IKr current(도 3의 b)를 통해 확인할 수 있다. 우선 original CRN model 보다 본 실시예의 modified CRN model일 때 IKr current의 maximum amplitude가 높으며, 그 시점도 보다 더 일찍 발생되었다. 이러한 IKr 변화는 APD의 단축을 발생시켜 APD50과 APD90이 modified CRN model에서 보다 더 짧은 형태를 띄는데 이를 통해서 수정된 ion current가 CRN 모델의 APD를 단축시키는 요인이 됨을 확인되었다. APD가 단축되는 사실은 2D 및 3D모델의 취약성을 증가시켜 세동 현상을 유발하는 중요한 인자로서 이는 곧 modified CRN 세포모델이 기존의 세포모델보다 세동 현상을 잘 일으키는 모델임을 의미한다.
Referring to FIGS. 3 to 6, the effect of the modified CRN cell model can be confirmed through AP (FIG. 3 a) and I Kr current (FIG. 3 b). First, the maximum amplitude of I Kr current was higher than that of the original CRN model in the modified CRN model of the present embodiment, and occurred earlier than that of the original CRN model. These changes in I Kr caused shortening of the APD and APD 50 and APD 90 were shorter than those of the modified CRN model. It was confirmed that the modified ion current shortened the APD of the CRN model. The fact that the APD is shortened is an important factor that induces the fibrillation phenomenon by increasing the vulnerability of the 2D and 3D models, which means that the modified CRN cell model is a model that causes the fibrillation more well than the existing cell model.

세포모델에 KCNH2 mutation을 적용시킨 결과 N588K 및 L532P 돌연변이는 IKr current가 최고치에 닿는 시점을 앞당기며 최대 진폭을 높인다는 사실을 확인되었다. 이러한 IKr 변화는 repolarization 을 보다 일찍 발생시켜 AP의 pleatue를 정상보다 짧아지게 만들고 결국 전체적으로 APD를 단축시키는 기능을 하게 된다. 이는 KCNH2 mutation과 SQTS와의 연관성이 있음을 시사하는 동시에 reentry가 발생되고 이를 지속적으로 유지시키는 조직 susceptibility 증가에 대해 포괄적으로 설명한다.
Results of applying the KCNH2 mutation in the cell model and N588K L532P mutation has been identified that is, speed when I Kr current that reaches the highest increases the maximum amplitude. This change in I Kr causes the repolarization to occur earlier, making the pleat of the AP shorter than normal and ultimately shortening the APD as a whole. This suggests that there is a relationship between KCNH2 mutation and SQTS, and it also provides a comprehensive description of the increase in tissue susceptibility that reentry occurs and sustains.

세포모델에 N588K와 L532P 변이를 적용시켜 2D 조직모델 및 3D 좌심방모델을 해석한 결과 돌연변이 효과에 의해 vulnerability가 증가됨을 확인할 수 있었다. WT의 경우 spiral wave가 두꺼운 wavelength로 인해 조직 내 활성화 될만한 충분한 공간이 부족하여 self-termination이 된다. 하지만 MT는 N588K와 L532P 변이 영향으로 인해 wavelength가 현저히 짧아지며 이로 인해 spiral wave가 지속적으로 유지될 수 있게 된다. 2D 및 3D tissue에서 N588K-hERG SQT1 mutation은 reentry가 발생되고 유지될 수 있는 최소 기질크기를 감소시키는 영향을 준다. 이러한 결과는 본 실시예에서 진행한 N588K 돌연변이 영향에서 확인됨은 물론, 특히 L532P 돌연변이는 시간이 지난 후 wave break-up 현상이 발생되어 불규칙적인 전도가 유지되는 세동 현상이 발생됨을 알 수 있었다. 또한 KCNH2 돌연변이 좌심방모델의 vulnerability에 미치는 영향은 도 6의 vulnerable graph를 통해서도 확인된다. WT의 경우 40ms 범위 이내에서 reentrant wave가 발생되지만 MT의 경우 N588K와 L532P 변이에서 각각 80, 100ms 범위 내에 reentrant wave가 발생되었다. 이는 곧 MT의 영향이 좌심방 모델의 vulnerability를 증가시켜 KCNH2 돌연변이가 심방 세동의 원인이 됨을 시사한다.Analysis of the 2D tissue model and 3D left atrial model by applying the N588K and L532P mutations to the cell model revealed that the vulnerability was increased by the mutation effect. In the case of WT, the spiral wave is self-terminated due to a lack of sufficient space to activate within the tissue due to the thick wavelength. However, due to the influence of the N588K and L532P mutations, the MT is significantly shortened in wavelength, which allows the spiral wave to remain constant. In 2D and 3D tissue, the N588K-hERG SQT1 mutation has the effect of reducing the minimum substrate size at which reentry occurs and can be maintained. These results were confirmed by the N588K mutation effect in the present example, and in particular, the L532P mutation was found to have a wave break-up phenomenon after a lapse of time, resulting in a fading phenomenon in which irregular conduction is maintained. The impact of the KCNH2 mutation on the vulnerability of the LA model is also confirmed by the vulnerable graph of FIG. In the case of WT, reentrant waves were generated within the range of 40 ms, but in the case of MT, reentrant waves were generated within the range of 80 and 100 ms in the N588K and L532P mutations, respectively. This suggests that the effect of MT increases the vulnerability of the LA model and that the KCNH2 mutation is the cause of atrial fibrillation.

결과적으로, KCNH2 유전자변이로 인해 심방의 vulnerability는 증가되며 이에 따라 reentrant wave가 지속적으로 유지된다는 것을 3D 좌심방 모델을 통해 검증했다. 특히, CRN modified cell model을 통해 L532P 유전자변이는 심방 세동 현상을 일으키는 요인이 됨을 확인할 수 있다.
As a result, the 3D atrial model demonstrated that the KCNH2 gene mutation increased the vulnerability of the atria and that the reentrant wave was maintained constantly. In particular, the CRN modified cell model shows that the L532P gene mutation is a factor causing atrial fibrillation.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 L532P와 N588K 유전자 돌연변이에 대한 IKr 의 이온채널의 수식모델을 단일 심근세포 모델에 적용한 결과를 나타낸 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing the effect of the L532P and N588K gene mutations I Kr & lt ; / RTI & gt ; is applied to a single myocardial cell model.

제1 그래프(11)는 활동전위 변화를 나타낸 것이며, 제2 그래프(12)는 IKr 의 이온채널의 전류 변화를 나타낸 것이다. 수행된 시뮬레이션의 결과에서 활동전위의 APD(action potential duration) 양상과 이온채널의 전류를 기 수행된 실험결과값과 비교하여 시뮬레이션 결과값의 유효성을 검증한다. 검증이 완료된 시뮬레이션 조건을 바탕으로 2차원 심근조직 시뮬레이션을 수행하여 심근조직 모델 상에서 심근세포간의 활동전위의 전도양상을 분석하고 회귀성파동(reentry wave)의 발생과 회귀성파동의 분화나 소멸 등의 양상을 분석한다. The first graph 11 shows the action potential change and the second graph 12 shows the current change of the ion channel of I Kr . In the simulation results, the effectiveness of the simulation results is verified by comparing the action potential duration (APD) of the action potential and the current of the ion channel with the experimental results. Based on the validated simulation conditions, we performed two - dimensional myocardial tissue simulation to analyze the conduction patterns of the action potentials of the myocardial cells on the myocardial tissue model and to investigate the pattern of reentry wave generation and regeneration wave differentiation or extinction Analyze.

회귀성 파동은 심장의 활동전위의 전도에 있어서 부정맥을 판단하기 위한 중요한 요소로써, 활동전위의 전도 패턴이 비정상적인 상태를 나타내며 회귀성파동이 관찰된 조직에서 측정된 활동전위는 빈맥(tachycardia)의 양상을 띠게 되며, 이러한 회귀성파동이 특정한 조건하에서 분화하여 여러 개의 작은 회귀성파동으로 분화(break up)되는데 이것은 세동의 형태로 관찰된다. The regressive wave is an important factor for judging the arrhythmia in conduction of the action potential of the heart. The conduction pattern of the action potential is abnormal, and the action potential measured in the tissue in which the regenerative wave is observed is tachycardia This regressive wave breaks up under certain conditions into several small regressive waves, which are observed in the form of fibrillation.

3차원 심장시뮬레이션은 의료영상장비로 측정된 실제 3차원 심장모델에 2차원 세포조직 모델과 마찬가지로 단일 심근세포 모델을 3차원 노드격자에 이식하고 전체모델의 시간에 따른 활동전위와 그의 전도 패턴을 분석하여 심장부정맥을 예측한다. 즉, 심장 시뮬레이션 장치는 상술한 심장 시뮬레이션 방법을 이용하여 연산된 활동전위와 그 전도패턴을 시간의 변화 및 공간을 기준으로 이차원 또는 삼차원 컬러영상으로 디스플레이 한다.
Three-dimensional cardiac simulation was performed by implanting a single myocardial cell model into a three-dimensional node grid as in the case of a two-dimensional cell tissue model, and analyzing the action potential and its conduction pattern over time of the entire model To predict cardiac arrhythmias. That is, the cardiac simulation apparatus displays the action potential and its conduction pattern calculated using the cardiac simulation method described above as a two-dimensional or three-dimensional color image based on the change in time and space.

도 8은 심실세포의 epicardium, Mid myocardium, endocardium 의 활동전위를 나타낸 도면이다. 즉, 패치 클램프 실험 데이터와, 심실세포 모델의 활동전위 시뮬레이션 결과가 비교 도시되어 있다. 또한, 도 9는 심방세포의 활동전위를 나타낸 도면이다. 즉, 패치 클램프 실험 데이터와, 심방세포 모델의 활동전위 시뮬레이션 결과가 비교 도시되어 있다.8 is a graph showing the action potentials of epicardium, Mid myocardium, and endocardium of ventricular cells. That is, the patch clamp experimental data and the action potential simulation results of the ventricular cell model are shown in comparison. 9 is a graph showing the action potential of atrial cells. That is, the patch clamp experimental data and the action potential simulation results of the atrial cell model are shown in comparison.

도 8 및 도 9를 참조하면, 심실세포 및 심방세포의 패치 클램프 실험 데이터와, 본 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법을 통한 결과가 비교 도시되어 있다.Referring to FIGS. 8 and 9, patch clamp experimental data of ventricular and atrial cells and results of cardiac simulation methods according to this embodiment are compared.

즉, 패치 클램프 실험은, 일반적으로 내부 직경이 0.5~3.0㎛ 인 미세 피펫을 약간의 흡인력을 이용하여 세포막에 접착시켜서 그 안에 있는 막을 통해서만 전류가 흐르도록 한다. 이때 수많은 시행착오를 거치면서 미세 피펫의 내부로 1개 또는 2~3개의 이온 채널이 들어오도록 실험조건을 만든다. 이 과정이 끝난 후 이 이온 채널들을 통한 미세한 전류의 흐름을 증폭장치를 이용하여 기록함으로써 각각의 이온 채널이 열리는 빈도와 열릴 때 통과하는 전기량을 측정할 수 있다. 이 패치 클램프 방법은 이온 채널의 활동을 추적할 수 있으므로 이들의 활동에 영향을 주는 여러 조절작용을 연구하는데 이용된다.That is, in the patch clamp experiment, a fine pipette having an inside diameter of 0.5 to 3.0 μm is adhered to the cell membrane using a slight suction force, so that current flows only through the inside of the cell. At this time, the experimental conditions are set so that one or two or three ion channels are introduced into the micropipette through a lot of trial and error. After finishing this process, the flow of minute current through these ion channels can be recorded by using the amplifying device, so that the frequency of opening each ion channel and the amount of electricity passing through the ion channel can be measured. This patch clamp method can be used to track the activity of ion channels and to study various regulatory actions that affect their activity.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 패치 클램프 방식의 실험 데이터와, 본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법의 시뮬레이션 결과가 거의 일치하므로 시뮬레이션 신뢰성이 확보된다.
As shown in Figs. 8 and 9, the simulation data of the patch clamp method and the simulation result of the cardiac simulation method according to the embodiment of the present invention are almost the same, so that the simulation reliability is secured.

도 10은 정상상태의 활동전위에 대한 각 이온채녈 별 이온전류의 형태와, 비정상적인 활동전위에 따른 특정 이온전류의 형태를 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a diagram showing the form of ion current according to each ion channel with respect to the action potential in the steady state and the form of the specific ion current according to the abnormal action potential.

제1 도면(13)은 INa, ICaL, Ito, Icl, Ikur, IKr, IKs, IK1, If, INCX 이온전류의 정상적인 형태를 나타낸 것이며, 제2 도면(14)은 ICaL 이온전류의 비정상적인 형태를 나타낸 것이며, 제3 도면(15)은 Incx 이온전류의 비정상적인 형태를 나타낸 것이다.1 shows a normal form of the ion currents I Na, I CaL, I to, I cl, I kur, I Kr, I Ks, I K1, I f and I NCX , ) Represents an abnormal shape of the I CaL ion current, and the third drawing (15) represents the Incx It is an abnormal form of ion current.

즉, 유전자 돌연변이로 인한 단백질의 비정상적인 활동으로 발생하는 이온채널의 변화를 수학적 모델화하여, 확인함으로써 부정맥과 같은 심장의 이상 증상에 대한 연구를 진행할 수 있다.
In other words, by studying the mathematical modeling of changes in ion channels caused by abnormal activity of proteins due to gene mutations, it is possible to study cardiac abnormalities such as arrhythmia.

도 11은 KCNQ1 G229D 돌연변이에 대한 심장 2차원 조직모델 시뮬레이션 결과이며, 특정 이온채널의 변화로 야기되는 회귀성파동 및 회귀성파동의 분화를 시간의 흐름별로 관찰할 수 있다.FIG. 11 shows the results of a cardiac two-dimensional tissue model simulation for the KCNQ1 G229D mutation, and it is possible to observe the differentiation of the regressive wave and the regenerative wave caused by the change of the specific ion channel.

도 12는 심실세동(VF, ventricular fibrillation) 병리 모델의 심방(좌측)과 심실(우측) 3차원 시뮬레이션 결과이다.Figure 12 shows the results of three-dimensional simulations of atrial (left) and ventricular (right) ventricular fibrillation (VF) pathology models.

심장 시뮬레이션 장치는 상술한 심장 시뮬레이션 방법을 이용하여 연산된 활동전위와 그 전도패턴을 시간의 변화 및 공간을 기준으로 이차원 또는 삼차원 영상으로 디스플레이 하여, 가상의 상황에서 유전자 돌연변이에 기인한 심장의 이상 증상에 대한 연구를 진행할 수 있다.
The cardiac simulation apparatus displays the action potentials and their conduction patterns calculated using the above-described cardiac simulation method as two-dimensional or three-dimensional images based on the change of time and space, and detects abnormalities of the heart caused by genetic mutation Can be studied.

상술한 실시예에서는 KCNH2 유전자 돌연변이를 일으키는 L532P와 N588K 변이를 파라미터 입력 변경만으로, 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델을 한번에 통합적으로 시뮬레이션 할 수 있는 심장 시뮬레이션 방법 및 장치를 주로 설명하였다.In the above-described embodiment, a heart simulation method and apparatus capable of integrally simulating a single cell, a two-dimensional, and a three-dimensional model at a time by only changing the parameter inputs of the L532P and N588K mutations causing the KCNH2 gene mutation .

하지만, 본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는, KCNH2 유전자 돌연변이에 국한되지 않고, KCNQ1 V241F, KCNQ1 G229D 등과 같은 여러가지 유전자 돌연변이 모델이 해당 심장 시뮬레이터에 이식될 수 있으며, 간단한 모드 변경을 통해 돌연변이 모델을 선택할 수 있고, 파라미터 입력을 통하여 시뮬레이션 조건을 설정한 후 이에 관한 부정맥 결과를 도출할 수 있다. 즉, 심실 혹은 심방세포의 이온채널들이 각각의 수식을 가지고 있고, 이 이온채널들이 합산된 항이 세포의 활동전위 등 전기적 특성을 나타내게 된다. 따라서, 미리 계산된 각각의 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환하여 해당 돌연변이에 대한 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델을 한번에 통합적으로 시뮬레이션 할 수 있다.
However, the method and apparatus for cardiac simulation according to the embodiment of the present invention are not limited to mutation of KCNH2 gene but various gene mutation models such as KCNQ1 V241F and KCNQ1 G229D can be implanted in the heart simulator, The mutation model can be selected and the arrhythmia result can be derived after setting the simulation condition through the parameter input. In other words, the ion channels of the ventricles or atrial cells have their respective formulas, and the sum of these ion channels shows electrical characteristics such as the action potential of the cells. Therefore, it is possible to integrally simulate a single cell, a two-dimensional and a three-dimensional model for a corresponding mutation at once by substituting the previously calculated mathematical model of each mutant ion channel.

본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는, 이온채널의 기능이 포함된 심근세포의 활동전위 시뮬레이션이 가능한 단일세포 모델을 제안하고 이를 바탕으로 생체전기신호 전도 알고리즘이 포함된 2차원 세포 조직모델을 제안한다. 또한, 의료영상기반 3차원 심장모델을 구축한 후 세포모델을 대입한 3차원 심장 시뮬레이터를 제안한다.A cardiac simulation method and apparatus according to an embodiment of the present invention proposes a single cell model capable of simulating the action potential of myocardial cells including the function of an ion channel, and based thereon, a two-dimensional cell tissue We propose a model. In addition, we propose a 3 - D cardiac simulator based on a medical image - based 3D cardiac model.

또한, 유전자 돌연변이로 인한 심근세포의 이온채널의 기능 이상으로 야기된 심장부정맥의 발생 여부를 예측하기 위한 시뮬레이션 방법 및 장치를 제안하여 심장 부정맥과 심근세포의 유전자돌연변이에 관한 연관성을 분석하고 이를 예방 및 치료하기 위한 방법을 모색하는데 도움이 될 수 있다.In addition, a simulation method and apparatus for predicting the occurrence of cardiac arrhythmia caused by abnormal function of the ion channel of myocardial cell due to gene mutation is proposed, and the correlation between the cardiac arrhythmia and myocardial cell gene mutation is analyzed, It can help to find a way to treat.

또한, 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는 세포의 특성을 간단하게 파라미터 입력 방식으로 변경할 수 있도록 제안되어 기존의 다양한 심장질환 별 심근세포의 특성 조건들의 재현이 가능하고 특히, 유전자 돌연변이에 대한 이온채널의 변형된 기능을 모사하기 위하여 함수화된 이온채널 조건을 대입하여 이에 따른 단일 심근세포의 활동전위 생성과 각 이온채널의 전류를 시뮬레이션 및 분석이 가능하도록 제안되었다. 시뮬레이션 결과는 데이터 후처리를 통하여 심장의 활동전위 및 수축현상을 화면을 통한 시각화가 가능하다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는 한 번의 파라미터 입력 변경만으로도, 싱글 셀(single cell), 2차원, 3차원 모델을 한번에 통합적으로 시뮬레이션하여 통합적인 해석 및 분석이 가능하다.In addition, the cardiac simulation method and apparatus are proposed to easily change the characteristics of the cell into the parameter input method, and it is possible to reproduce the characteristic conditions of the existing myocardial cells according to various heart diseases. In particular, In order to simulate the function, it is proposed to substitute the functionalized ion channel condition and to simulate and analyze the action potential generation of each single myocardial cell and the current of each ion channel. Simulation results show that cardiac activity potential and contraction phenomenon can be visualized through data post-processing. That is, in the cardiac simulation method and apparatus according to the embodiment of the present invention, a single cell, a two-dimensional and a three-dimensional model can be integrally simulated at one time and integrated analysis and analysis can be performed by only changing one parameter input.

즉, 본 발명의 실시예에서 제안한 심장 시뮬레이션 방법 및 장치는, 심장부정맥 발생 기전 규명에 관한 연구에 도움이 될 수 있다. 또한, 치료약물 개발 및 독성 규명에 대한 임상시험 대체할 수 있다. 또한, 환자 맞춤형 부정맥 진단 보조를 수행할 수 있다.
That is, the cardiac simulation method and apparatus proposed in the embodiment of the present invention can be helpful in studying the mechanism of the cardiac arrhythmogenesis. In addition, clinical trials for therapeutic drug development and toxicity identification can be substituted. In addition, patient-assisted arrhythmia diagnosis assistance can be performed.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Thus, those skilled in the art will appreciate that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the embodiments described above are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

11 : 제1 그래프
12 : 제2 그래프
13 : 제1 도면
14 : 제2 도면
15 : 제3 도면
11: 1st graph
12: second graph
13: 1st drawing
14: second drawing
15: Third Drawing

Claims (3)

생체이온의 유입 및 유출에 의한 단일 심근세포의 전압변화를 <수학식 1>를 이용하여 연산하는 단계;
세포 내부와 세포 사이(interstitial) 두 연속 영역의 집합으로 정의되는 심장의 각 영역의 이온전류들은 세포막을 통해서 한 영역에서 다른 영역으로 흐르며, 세포 내부 공간에서 유출되는 전류가 세포 사이(interstitial) 영역으로 모두 유입되는 전류 보존법칙을 토대로 <수학식 2>를 연산하고, <수학식 3>을 통해 체적당 공간전류를 연산하며, <수학식 4>를 통해 세포막 전류를 연산하는 단계;
세포막 전위에 대한 반응-확산(reaction-diffusion) 방정식인 <수학식 5>를 이용하여 심장 전기전도를 연산하는 단계;
유한요소법을 사용하며, <수학식 5>에 Galerkin 방법을 적용하고, 시간 항에 대한 Euler 전진차분법을 사용하여, 격자점(mesh point)들에서의 상태값을 변수로 하는 연립대수방정식인 <수학식 6>을 도출하는 단계; 및
<수학식 1>의 INa, ICaL, Ito, IKr, IK, IK1, INaCa, INaK, IpCa IpK, IbCa, IbK 중 선택된 하나 또는 복수의 전류를 심근세포의 돌연변이에 의해 미리 계산된 각각의 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환하여 시뮬레이션 하는 단계;를 포함하며,
미리 계산된 돌연변이 이온채널의 수식모델로 치환하여 시뮬레이션 하는 단계는,KCNH2 유전자 돌연변이를 일으키는 L532P와 N588K 변이에 대한 IKr 의 이온채널의 수식모델인 <수학식 7>로 치환하여 돌연변이 심근세포의 활동전위 및 각 이온채널별 전류를 시뮬레이션 하여
wild-type(WT)과 mutant-type(MT)의 전기패턴을 비교하여 유전자 돌연변이가 심장 부정맥을 유발하는 연관성을 검증하는 것을 특징으로 하는 심장 시뮬레이션 방법.

<수학식 1>
Figure 112016128845706-pat00025

Figure 112016128845706-pat00026

Cm은 단위 표적당 세포막의 전기적 캐패시턴스, Vm 는 세포의 전압, Iion은 세포로 유입되는 총 생체이온 전류이며, Istim 은 세포의 흥분을 유도하기 위한 자극전류(perturbation current)의 유출입임.(Iion 은 세포모델과 채널형태에 따라 변경됨.)
INa 는 the fast inward Na+ current, IKl 는 inward rectifier K+ current, Ito 는 transient outward K+ current, I Kur 는 ultrarapid delayed rectifier K+ current, I Kr 는 rapid delayed rectifier K+ current, I Ks 는 slow delayed rectifier K+ current, I Ca,L 는 L-type inward Ca2+ current, I NaCa 는 Na+/Ca2+ exchanger current, I NaK 는 Na+/K+ pump current, I p,Ca 는 plateau current, 그리고 I b,Na 와 I b,Ca 는 각각 background Na+와 Ca2+ currents 를 나타냄.
<수학식 2>
Figure 112016128845706-pat00027

x 는 공간좌표벡터이고, J는 단위면적당 전류밀도를 의미함, 첨자 i와 e는 각각 세포내 공간과 세포 사이(interstitial) 공간을 의미함.
<수학식 3>
Figure 112016128845706-pat00028

Iv(x,t)는 단위 체적당 공간 전류이고, φ는 전기포텐셜이고, 체적 전도체에 대하여 M(x)는 3x3의 전기전도 텐서임.
<수학식 4>
Figure 112016128845706-pat00029

Im(x,t)는 세포막 전류이고, Cm 은 단위면적당 세포막의 정전용량이고, Iapp(x,t) 은 단위면적당 가해준 자극전류이고, V(x,t)는 φi - φe 로 정의되는 세포막 전위이고, Iion(x,t) 은 단위면적당 이온전류의 합으로서 채널 형태에 따라서 달라지며 이온 전류들 및 관련된 상수들에 관한 정보는 상술한 단일 심근세포 모델을 기반으로 함.
<수학식 5>
Figure 112016128845706-pat00030

Iapp(x,t) 은 단위면적당 가해준 자극전류이고, V(x,t)는 φi - φe 로 정의되는 세포막 전위이고, Iion(x,t) 은 단위면적당 이온전류의 합으로서 채널 형태에 따라서 달라지며 이온 전류들 및 관련된 상수들에 관한 정보는 상술한 단일 심근세포 모델을 기반으로 함, β는 체적에 대한 면적비이고, k는 근섬유의 방향에 따른 물성치 차이를 표현해 주는 비등방성임.
<수학식 6>
Figure 112016128845706-pat00031

K는 강성행렬, X는 각 격자점에서의 변수값 벡터, R은 외력항을 의미하며, Newton-Raphson 방법을 사용하여 각 시간에 따른 해를 구함.
<수학식 7>
Figure 112016128845706-pat00032

Figure 112016128845706-pat00033

Figure 112016128845706-pat00034

Figure 112016128845706-pat00035

Figure 112016128845706-pat00036

IKr 은 rapid delayed outward rectifier K+ current이며, xr1 xr2 는 각각 activation, inactivation gating variable, αx_r1 βx_r1 은 각각 forward, backward rate constant for gating varialbe 이며, τx_r2 은 time constant for gating variable, P1 ~ P11 은 WT와 MT(N588K, L532P)에 대한 실험값임.
Calculating a voltage change of single myocardial cells due to the inflow and outflow of bio-ions using Equation (1);
Ionic currents in each region of the heart, defined as a set of interstitial and interstitial regions, flow from one region to another through the cell membrane, and the current flowing out of the cell's interior space is the interstitial region Computing Equation (2) based on the current conservation law, computing a spatial current per volume through Equation (3), and calculating a cell current through Equation (4);
Calculating heart conduction using Equation (5), which is a reaction-diffusion equation for cell membrane potential;
The Galerkin method is applied to Equation (5) using the finite element method, and the Euler forward difference method for the time term is used to calculate the algebraic algebraic equation of the state value at the mesh points as a variable, Deriving Equation (6); And
A current of one or more selected from I Na, I CaL, I to I Kr, I K, I K1, I NaCa, I NaK, I pCa I pK, I b C a and I bK of Equation And replacing the simulation model with a mathematical model of each mutant ion channel previously calculated by the mutation of the mutant ion channel,
The step of simulating replacing the previously calculated mutant ion channel with a mathematical model can be used for the mutation of the L532P and N588K mutants causing the KCNH2 gene And replaced by the <Equation 7> equation model for the ion channel of the I Kr simulate the action potential, and each current of the ion channel mutations cardiomyocytes
comparing the pattern of the wild-type (WT) with that of the mutant-type (MT) to verify the association of the gene mutation to cause cardiac arrhythmia.

&Quot; (1) &quot;
Figure 112016128845706-pat00025

Figure 112016128845706-pat00026

C m is the electrical capacitance of the cell membrane per unit cell, V m is the voltage of the cell, I ion is the total bio-ion current flowing into the cell, and I stim is the flow of perturbation current to induce excitation of the cell. (I ion changes depending on cell model and channel type.)
I Na is the fast inward Na + current, I Kl is inward rectifier K + current, I to the transient outward K + current, I Kur is ultrarapid delayed rectifier K + current, I Kr is rapid delayed rectifier K + current, I Ks is slow delayed rectifier K + current, I Ca, L is L-type inward Ca 2+ current, I NaCa is Na + / Ca 2+ exchanger current, I NaK is Na + / K + pump current, I p, Ca is plateau current, and I b, Na and I b, Ca represent background Na + and Ca 2+ currents, respectively.
&Quot; (2) &quot;
Figure 112016128845706-pat00027

where x is the spatial coordinate vector, J is the current density per unit area, and subscripts i and e denote intracellular space and interstitial space, respectively.
&Quot; (3) &quot;
Figure 112016128845706-pat00028

I v ( x , t) is the spatial current per unit volume, φ is the electric potential, and M ( x ) for the volume conductor is the 3 × 3 electric conduction tensor.
&Quot; (4) &quot;
Figure 112016128845706-pat00029

I m (x, t) is the plasma membrane currents, and is C m is the capacitance per unit surface area membranes, I app (x, t) is given stimulation current applied per unit area, V (x, t) is φ i - φ e , and I ion ( x , t) is the sum of ion currents per unit area, which depends on the channel type. Information on ion currents and related constants is based on the above-described single myocardial cell model .
Equation (5)
Figure 112016128845706-pat00030

And I app (x, t) is given stimulation current applied per unit area, V (x, t) is φ i - a cell membrane potential which is defined as φ e, I ion (x, t) is a sum of the per unit area of the ion current The information about ion currents and related constants is based on the single cardiomyocyte model described above, β is the area ratio to volume, and k is anisotropic, which expresses the difference in physical properties with respect to the direction of the muscle fiber .
&Quot; (6) &quot;
Figure 112016128845706-pat00031

K is a stiffness matrix, X is a variable value vector at each lattice point, R is an external force term, and a solution according to each time is obtained using the Newton-Raphson method.
&Quot; (7) &quot;
Figure 112016128845706-pat00032

Figure 112016128845706-pat00033

Figure 112016128845706-pat00034

Figure 112016128845706-pat00035

Figure 112016128845706-pat00036

I Kr is rapid delayed outward rectifier K + current is, x r1 and x r2 are each activation, inactivation gating variable, α x_r1 and β x_r1 are respectively forward, backward rate constant for gating varialbe, τ x_r2 the time constant for gating variable, P 1 ~ P 11 are experimental values for WT and MT (N588K, L532P).
삭제delete 제1항에 기재된 상기 심장 시뮬레이션 방법을 이용하여 연산된 활동전위와 그 전도패턴을 시간의 변화 및 공간을 기준으로 이차원 또는 삼차원 영상으로 디스플레이하는 심장 시뮬레이션 장치.A cardiac simulation apparatus for displaying an action potential and a conduction pattern calculated using the heart simulation method according to claim 1 as a two-dimensional or three-dimensional image based on a time change and a space.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002537008A (en) * 1999-02-03 2002-11-05 フィジオム・サイエンスィズ・インコーポレーテッド Apparatus and method for modeling a heart by computer

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