1952年诺贝尔奖得主霍奇金(Hodgkin)和赫胥黎(Huxley)建立了世界上第一个细胞计算模型——乌贼神经元细胞模型[1]，开创了用计算模型研究生物问题的先河。1960年丹尼斯·诺布尔(Denis Noble)在《自然》(Nature)杂志上发表了第一个心肌细胞计算模型——浦肯野氏心肌细胞模型[2]，开创了虚拟生理心脏模型的先例。然而，囿于当时计算机的运算能力，虚拟生理模型发展缓慢。进入21世纪，随着分子生物学、细胞学、解剖学、基因工程、影像学等方面心脏实验数据的丰富和知识的积累，以及超大规模计算机的运算处理和存储能力呈现指数级的增长，综合运用心脏生理学、数学建模方法和虚拟现实技术，建立虚拟生理心脏模型，模拟心脏功能，研究健康和疾病情况下的心脏生命活动规律，逐渐得到学术界的关注，成为现代心脏病学的一个重要研究领域。目前，虚拟心脏模型的理论分析和预测能力已引起国际的广泛重视，被认为将引领未来心脏病研究方向。欧盟和美国已将虚拟生理人（包括心脏）研究列为重点发展领域。
亚细胞和细胞级模型
亚细胞级虚拟模型的构建聚焦在心肌细胞离子通道和细胞内外离子浓度的动态平衡上。此级电生理模型主要模拟生理和病理状态下细胞内大量离子通道的动力学变化。随着分子生物学实验数据的丰富，亚细胞级的模型构建逐渐倾向于细胞器、蛋白活动等细胞内生理现象的建模。
在细胞级，心肌细胞电生理模型主要模拟心肌细胞的动作电位以及细胞内外多种离子的动态平衡。目前已经建立了包括人、狗、兔、猪、大鼠、小鼠、豚鼠和青蛙在内的多个物种，从窦房结到心室不同细胞类型上百个细胞模型。基于心肌细胞的电生理模型，融合多种细胞功能（如新陈代谢等）的模型构建逐渐成为细胞级模型构建的主流研究方向。
心肌纤维与组织级模型
纤维级模型是由多个单细胞模型耦合在一起形成的一个线性合胞体模型，其反映的是心肌细胞通过间隙连接形成心肌纤维，从而使电动势沿纤维走向快速传导，其速度远大于垂直于纤维走向的传导速度。而组织级模型可以被视为多个纤维级模型的叠加。心肌纤维与组织级模型主要应用于定量研究微观离子通道功能变化引致宏观心脏电兴奋传导变化及心律失常发病机制间的关联，是心脏建模工作中衔接心肌细胞电生理和宏观心脏电生理的桥梁。笔者所在团队曾用纤维与组织级模型阐释了钾离子通道(IKr)失活对心律失常（短QT间期1）产生的因果关系[3]。目前，本层级模型主要分为单域模型和双域模型两类。二者最大的区别在于对细胞内外的离子浓度和电势的处理上：双域模型考虑二者的时变性，而单域模型将其视为恒定值。在正常生理条件下，细胞外环境相对稳定，因此将细胞外环境视为恒定，采取单域模型有利于简化模型，降低计算需求，加快计算速度。而双域模型更真实、精确地反映系统的生理活动，尤其是对病理条件下甚至室颤条件下的机制性研究更有意义。然而，双域模型求解细胞内外电位时需要大维度的矩阵求逆,计算开销很大。目前两种模型各有利弊，需根据实际条件与需求做相应取舍判断。作为微观模型与宏观模型的桥梁，组织级模型在模型的正确性验证方面仍将起到巨大作用。
心脏器官级三维模型及躯干级模型
三维心脏电生理模型构建的基础是翔实的三维心脏解剖结构模型，在解剖结构基础上，将不同细胞、组织的电生理模型融合嵌入，形成三维心脏的电兴奋传导模型。在此基础上进一步整合心脏的力学收缩特性，形成最终的三维心脏的电-力耦合模型。在细胞层面，机械力学模型的主要构建方式是用微分方程和积分方程建立细胞内Ca2+释放和再聚积模型，通过Ca2+与肌丝的结合，模拟细胞的收缩。将建立的单心肌细胞的力学模型以及瞬时离子浓度模型用有限元法集合到一个三维的心脏解剖结构中，模拟三维心脏收缩和舒张时形态的改变。心脏器官级三维模型是目前虚拟生理心脏建模领域的一个多学科交叉的最具前沿性的研究方向。建立此模型不仅需要生理、解剖及几何结构等数据和知识，还需要高性能计算机、并行计算和海量数据可视化技术的辅助，因此这一级的建模工作难度极大。三维心脏模型的建立能够将微观细胞级别的生理变化直观反映到心脏宏观功能上，从而发掘心脏病的临床表现与细胞内基因、蛋白及电生理功能改变的联系，因此三维心脏模型的建立对临床心脏病学的研究有着重要的作用。
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