心血管疾病已经成为威胁人类健康和生命的一大杀手。常见的心脏疾病如心肌缺血(Myocardial Ischemia)、心衰(Heart Failure)会导致心脏的收缩和舒张功能受损,无法保证心脏活动的正常运行,进而影响身体的新陈代谢。相对收缩舒张带来的损害,心律失常带来的损害更加突然、不可预料和致命。心脏是一个局部异质的组织,不同的地方其电生理特性并不相同,但是发生病变之后这些固有的透壁异质特性会改变并常常使差异加大,从而诱发折返等心律失常。因此,找出支撑透壁异质特性的离子电流基础对治疗心脏疾病更加重要。心肌系统是一个很多成分相互作用的生理系统,由于实验技术发展水平的限制,目前实验方法对一些现象的背后机制都缺乏有效地研究。相对于实验方法,计算机模型由于可以独立控制各个成分,成为了辅助实验研究疾病机制的一种重要工具。本论文立足于根据实验数据建立的能重现心脏活动特征的计算机模型,利用模型发现疾病机制,尝试更有效直接的治疗方案。内容有以下几个方面。1)心肌缺血机制的模型研究仿真了心肌缺血过程中的高血钾、缺氧症和多酸症对心肌细胞动作电位的影响；根据实验数据重现了细胞透壁异质的电生理特征和力学特征；仿真了心肌缺血发生之后透壁异质细胞的选择性重建以及准心电图对应的变化。2)心衰机制的模型研究基于狗心室肌细胞的实验数据,构建了一个新的心室肌细胞模型。利用此模型仿真了发生心衰时伴有的动作电位延长、钙瞬态幅度降低、钠离子浓度升高以及alternans发生阈值降低等现象。采用定量分析的方法,我们发现了动作电位的延长主要是由钾电流的减少表达引起的,CaMKⅡ尽管影响了动作电位的形态,但是并没有改变动作电位长度；减少的基质网钙泵蛋白质表达在CaMKⅡ的调节作用下,对钙瞬态的影响并不是特别大,而增大的泄露电流则对降低的钙瞬态影响很大；增大的晚期钠电流自己并不能充分解释细胞内钠离子的上升幅度,应该考虑其他的因素；CaMKⅡ导致基质网释放电流和基质网内钙离子含量的关系变得更加的非线性陡峭,使alternans更容易发生；CaMKⅡ部分抑制结合基质网泄露电流的阻断有可能成为新的治疗心衰目标。3)透壁心肌层异质特性的研究瞬间外向钾电流对于动作电位长度的作用一直存在争议,长期以来实验上缺乏有效的瞬间外向钾电流特异性阻断剂使其作用更难以估计。我们基于模型发现瞬间外向钾电流并不会影响动作电位的长度；透壁分布的钠钾泵电流则对动作电位的透壁异质产生了明显的影响,同时钠钾泵电流对细胞内的钙瞬态影响特别大；透壁分布的钙离子和钠离子浓度可以造成透壁分布的钠钙交换电流,这解释了为什么实验测得的透壁钠钙交换电流的调控蛋白质密度均质而电流却异质。结合实验数据,我们构建了一个细胞平台,包含心外膜细胞、中间层细胞和心内膜细胞。我们成功仿真出中间层细胞更容易被诱发早后去极化(Early after depolarization,EAD),其根本原因在于中间层细胞拥有较长的动作电位平台期。这个平台可以很好的用来研究病态下电流的选择性重建以及不同的药物学反应。4)心肌纤维动力学仿真重现了实验上的前载荷-后载荷实验协议,仿真出了心脏工作的五个周期,充盈期、等容收缩期、射血期、等容舒张期以及等张舒张期。为将来的力学仿真提供了一个工具平台。