窦房结是心脏自动节律起搏点,将自发形成的周期性电兴奋通过心脏传导系统传至整个心脏,引起心肌的收缩与舒张。可见,窦房结就像心脏的最高级指挥官,引领整个心脏系统进行规律性活动。近年来对病窦综合征的科学研究取得了良好的发展,但是人们对于病窦综合征更深层次的理解以及该类疾病预防和治疗策略的发展仍然欠佳。为了详细阐明凭借生理实验方式难以探索的窦房结缺血机制及该疾病的治疗等问题,本文基于计算机技术、心脏动力学和数学知识,构建兔子窦房结多尺度电生理模型进行定量仿真分析,阐明窦房结缺血引发心动过缓的机制并预测潜在的药物治疗方法。本文主要研究内容如下:首先,进行窦房结起搏电流（I_f）阻滞对心率调节机制的理论分析与仿真验证。将理论推导和仿真验证相结合,证明部分抑制I_f电流时动作电位自动去极化阶段膜电流总和越小,起搏周期增量就越大。接着,利用前向欧拉法仿真分析具有不同动力学特性的人和兔子I_f电流局部阻断对心率的调节作用,揭示临床应用伊伐布雷定（ivabradine,IVA）抑制I_f电流减缓心率,治疗由缺血性心疾病（如慢性心绞痛、急性冠脉综合症等）引发心动过速的作用机制。阐明临床低剂量IVA对患者心率调节作用与兔子心脏实验应用高剂量IVA对心率调节作用相似的原因。结果表明,临床IVA对心率的调节包含膜钟（I_f电流阻断）与乙酰胆碱（acetylcholine,ACh）的共同作用。其次,构建兔子非匀质窦房结细胞电生理模型。基于Zhang窦房结细胞模型和相关实验数据建立新的兔子窦房结非匀质细胞电生理模型,新模型不仅包含表达中心和边缘细胞的电生理非匀质性,还增加了描述细胞体积、细胞内钙水平差异性和细胞内离子浓度的数学模型,并且能够更为真实地模拟膜电流对动作电位的影响。通过对85项特性参数（包括引入马夸特算法对亚细胞级膜电流动力学参数进行非线性拟合和参数特性验证22项、细胞动作电位模型验证10项、钙瞬变参数特征验证14项、细胞膜钙外排途径贡献模拟验证4项、细胞内钠离子浓度验证2项、膜电流对动作电位和起搏特性调控作用验证29项,以及钙瞬变对动作电位和起搏特性调控作用验证4项）和实验数据的对比,验证新模型有效。该模型是模拟窦房结病理活动机制的有效工具。再次,对窦房结缺血诱导心动过缓的深层机制进行建模与仿真分析。基于实验数据构建窦房结缺血中心和边缘细胞电生理模型,仿真揭示缺血诱导起搏周期延长（心率降低）的根本原因。结果显示:T型钙电流减小、K-ATP电流的激活以及细胞内钠负载增强导致的钠-钾泵电流(I_NaK)增大、钠-钙交换电流(I_NaCa)反向活动增强导致中心细胞起搏周期延长;而L型钙电流增大、细胞外钾浓度升高、细胞内钠负载增强导致的I_NaK电流增大和I_NaCa电流反向活动增强是边缘细胞起搏周期延长的主要诱因。将窦房结-心房二维组织生成标准笛卡尔网格,构建具有真实解剖结构的窦房结-心房二维组织电传导模型,仿真揭示缺血以及ACh作用叠加时组织电兴奋的产生和传导特性的变化。结果显示:缺血组织起搏频率降低,组织激活时间延长且电兴奋传导速度下降,该现象是由缺血导致细胞去极化速度降低所致;ACh作用进一步延长缺血组织起搏周期,且当ACh浓度升高至一定程度时组织无法兴奋,暗示窦房结缺血患者在夜间可能发生窦性停搏甚至猝死的可能。该研究在揭示窦房结缺血机制的同时,也充分体现出虚拟心脏模型的实用价值。最后,对窦房结缺血的药物治疗效果进行仿真预测。结合心肌电生理知识和药物作用建模机理,构建多尺度缺血窦房结的药物作用模型,模拟并预测中药（益气通阳方）对窦房结缺血引发心动过缓的治疗效果。结果显示,该药物可有效治疗因窦房结缺血引发的心动过缓,且对起搏频率的调控作用与药物对I_f电流的增强程度呈正比关系。该研究不仅成功地预测药物作用疗效,也说明通过构建虚拟心脏模型的方法进行药物对心脏疾病作用机理和作用疗效的研究是一种非常有效的手段。本研究成果揭示了窦房结缺血诱导心动过缓的根本原因,并为临床药物治疗研究提供了前期理论依据。建立的新一代兔子窦房结非匀质细胞电生理计算模型对于研究病窦综合症的发生机制也具有普遍应用价值和重要科学意义。