本研究基于集总参数法和有限元分析，提出了两种射血分数保留型心力衰竭的计算模型。这些模型用于评估压力超负荷和心室顺应性降低所引起的心室及关联血管系统的血流动力学变化。
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本文内容
摘要
摘要
在心血管疾病计算建模领域，科研工作主要集中在射血分数降低型心力衰竭（HFrEF），而广泛忽视了射血分数保留型心力衰竭（HFpEF），而后者近年来已成为全球最主要的心力衰竭类型。鉴于目前HFpEF的in silico模型 representation 极为匮乏，本文提出了两种不同的计算模型，用于模拟由左心室压力超负荷引起的HFpEF血流动力学变化。首先，采用数值求解器开发了一个面向对象的集总参数模型。该模型基于零维（0D）Windkessel类网络，依赖于构成元件的几何和力学特性，具有计算成本低的优势。其次，利用有限元分析（FEA）软件包实现了多维仿真。FEA模型结合了三维（3D）电-机械心脏响应、结构形变以及基于流体腔室的血流动力学的多物理场模型，并采用简化的集总参数模型来定义不同流体腔室之间的流量交换特征。通过这两种方法，均成功模拟了压力超负荷引起的左心室及近端血管系统的急性和慢性血流动力学变化。具体而言，压力超负荷通过减小主动脉瓣口面积进行建模，而慢性重构则通过降低左心室壁的顺应性来模拟。与HFpEF的科学和临床文献一致，两个模型的结果均显示：（i）左心室与主动脉之间的跨主动脉压力梯度急性升高，同时每搏输出量减少；（ii）左心室舒张末期容积慢性下降，提示存在舒张功能障碍。最后，FEA模型表明，在整个心动周期中，HFpEF心肌组织的应力显著高于健康心肌组织。
引言
心力衰竭是全球主要的死亡原因之一，当心脏无法充分泵血或充盈以满足机体的代谢需求时即可发生。临床上使用射血分数（即每次收缩时从左心室射出的血液占储存血量的相对比例）将心力衰竭分为两类：（i）射血分数降低的心力衰竭（HFrEF）和（ii）射血分数保留的心力衰竭（HFpEF），分别对应射血分数低于或高于45%的情况1,2,3。HFpEF的症状常由左心室压力超负荷引发，后者可由多种疾病导致，包括主动脉瓣狭窄、高血压和左心室流出道梗阻3,4,5,6,7。压力超负荷引发一系列分子和细胞水平的异常，导致左心室壁增厚（向心性重构），最终引起心室壁僵硬度增加或顺应性下降8,9,10。这些生物力学改变显著影响心血管血流动力学，表现为舒张末期压力-容积关系升高以....
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方案
1. 0D 集总参数模型
- 模拟设置
注意：在数值求解器环境中（参见材料表），构建如图1所示的计算域。该域由四腔心脏、上半身、腹部、下半身和胸腔 compartments，以及近端血管结构组成，包括主动脉、肺动脉和上、下腔静脉。本模拟中使用的基本元件属于默认液压元件库的一部分。详细信息请参见补充文件。- 浏览液压元件库，找到所需元件：液压管道、恒容液压腔室、线性阻力、离心泵、单向阀、可变截面孔口以及自定义液压流体。
- 将液压管道元件拖入工作区。
注意：这些元件用于模拟血管和心腔中的摩擦损失、管壁顺应性以及流体可压缩性。通过该模块，采用达西–威斯巴赫公式计算压力损失；而由于管壁顺应性引起的直径变化则取决于顺应性比例常数、管腔内压力和时间常数。最后，流体的可压缩性由介质的体积模量定义。 - 插入恒容液压腔室元件，以定义管壁顺应性和流体可压缩性。
注意：该模块不考虑因摩擦引起的压力损失。 - 添加线性阻力元件，以定义流动阻力。
注意：该阻力与血管几何特性无关，类似于电路类比中的Windkessel模型所使用的电阻元件。还应插入其他模块，如离心泵、单向阀、可变截面孔口和自定义液压流体元件，以向系统提供所需的压力....
- 将液压管道元件拖入工作区。
- 浏览液压元件库，找到所需元件：液压管道、恒容液压腔室、线性阻力、离心泵、单向阀、可变截面孔口以及自定义液压流体。
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结果
基线模拟的结果如图3所示。图3A展示了左心室和主动脉的压力与容积波形，图3B展示了左心室的压力-容积环。两种计算机模型呈现出相似的主动脉和左心室血流动力学特征，均处于生理范围内。在心室排空和充盈阶段，两个平台所预测的响应存在细微差异，其中有限元分析（FEA）模型相较于集总参数模型能更准确地捕捉非线性效应。在生理条件下，此类非线性效应主要源于心肌组织的超弹性响应，因此可通过多域高阶计算模型更精确地再现18。
对于主动脉瓣狭窄，获取了心室和主动脉的血流动力学参数，因为这种情况常导致左心室压力超负荷，并最终发展为射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）。在主动脉瓣口面积减少70%的情况下，两种模型的压力和容积波形如图4所示。狭窄导致主动脉瓣跨瓣压力梯度升高。在本研究考虑的70%狭窄程度下，集总参数模型（
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讨论
本研究提出的集总参数模型和有限元分析（FEA）平台在生理条件下重现了心血管血流动力学，涵盖了狭窄引起的压力超负荷急性期以及慢性射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）阶段。通过捕捉压力超负荷在HFpEF急性期和慢性期发展过程中的作用，这些模型的结果与HFpEF的临床文献一致，包括由于主动脉瓣狭窄导致的跨主动脉压力梯度出现、左心室压力升高，以及因心室壁僵硬引起的舒张末期容积减少41。此外，该FEA模型能够在整个心动周期中捕捉到HFpEF心肌应力的升高。为确保这些模拟的正确设置，必须严格遵循上述方案部分中列出的步骤。对于集总参数模型，必须准确重建液压元件网络，如图1所示，并将规定的数值作为输入参数输入（表S1和表S2）。此外，求解器模块必须被定义，并连接至网络中的任意节点。
FEA 模型的运行需要与求解器一起打包的所有模拟文件，这些文件列在表 S5中
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披露
本研究不存在任何利益冲突。
致谢
我们感谢哈佛大学-麻省理工学院健康科学与技术项目以及医学工程与科学研究所的SITA基金会奖项提供的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Abaqus 软件 | Dassault Systèmes Simulia Corp. | 使用版本：2018；有限元分析仿真软件 | |
| HETVAL | Dassault Systèmes Simulia Corp. | 使用版本：2018 | |
| 液压（等温）库 | MathWorks | 使用版本：2020a | |
| Living Heart 人体模型 | Dassault Systèmes Simulia Corp. | 使用版本：V2_1，解剖结构精确的成人四腔心有限元分析平台 | |
| MATLAB | MathWorks | 使用版本：2020a，面向对象的数值求解器 | |
| SIMSCAPE FLUIDS | MathWorks | ||
| UAMP | Dassault Systèmes Simulia Corp. | 使用版本：2018 | |
| VUANISOHYPER | Dassault Systèmes Simulia Corp. | 使用版本：2018 |
参考文献
- Borlaug, B. A., Paulus, W. J. Heart failure with preserved ejection fraction: Pathophysiology, diagnosis, and treatment. European Heart Journal. 32 (6), 670-679 (2011).
- Borlaug, B. A., Kane, G. C., Melenovsky, V., Olson, T. P.
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