射血分数保留型心力衰竭的集总参数与有限元建模

该方案可用于重现急性压力负荷以及慢性心室顺应性下降，以研究射血分数保留型心力衰竭对心血管血流动力学的影响。我们的集总参数模型具有很高的计算效率，而金融量方法则整合了电学与结构领域，从而实现对心血管血流动力学更精确的建模。目前在临床上迫切需要针对射血分数保留型心力衰竭（HFpEF）的有效治疗手段。

计算方法（如我们所采用的方法）在医疗器械和治疗手段的开发及监管审批中至关重要。要建立一个零维集总参数模型，在数值求解器环境中构建好计算区域后，如图所示，进入液压元件库中找到所需元件，并将液压管路元件拖放到工作区中。插入恒定体积液压腔元件，以定义管壁顺应性和流体可压缩性。

添加线性阻力元件以定义流动阻力。通过自定义的可变顺应性元件（compliance chamber element）对每个心腔的收缩性进行建模，并根据表格中所示为每个元件提供相应的参数。然后，为每个需要随时间变化的用户自定义输入信号的模块插入物理信号重复序列元件，选择默认的 ODE 23 T 隐式求解器，并运行 100 秒的仿真以达到稳态。

建立有限元分析模型时，进入电学领域并选择标准模块。选择单次分析心动周期步骤。将心动周期的持续时间设置为500毫秒，并对代表窦房结的节点集施加电势极。

在查看默认电波形后，启动作业模块并创建心脏电学作业。完成电学分析设置后，进入预载步骤中的力学域。检查心脏预应力状态的边界条件，并选择 0.3 秒作为步长时间。

在搏动收缩单步中，使用 0.5 秒作为步长时间以模拟心肌收缩。在恢复单步中，选择 0.5 秒用于心脏舒张及心室充盈，对应心率为每分钟 60 次。启动作业模块并创建心脏力学作业。

启用双精度选项。检查简化的集总参数风箱模型和血流模型表示，根据需要调整阻性元件和容性元件的数值，分别对应流动阻力和结构顺应性。检查四个心腔的三维有限元表示，并确认其几何位置准确无误。

检查心脏组装后，切换到交互模块，调节四个心腔的顺应性和收缩性参数。查看刚度值，以模拟动脉、静脉和肺循环中的压力-容积响应，并调节黏性阻力系数，以修改各物质交换环节中的血流模型。对于多物理场仿真，将输入文件、对象文件和库文件插入工作目录，并启动有限元分析模型仿真软件。

运行电刺激心脏电活动，并确认生成的ODB文件位于工作目录中。切换到力学域以进入第二次模拟阶段。在预载步骤中，使用内置的平滑幅值选项将压力水平从零逐步增加至目标水平。

然后禁用压力边界条件，以在循环系统内保持恒定的总体血容量来运行血流模型，并运行心脏微结构模拟任务。为了在集总参数模型中模拟主动脉瓣狭窄，在左心室腔室中修改相对于主动脉瓣的输入信号，模拟瓣口面积较基线减少70%的情况。为了在有限元分析（FEA）模型中模拟主动脉瓣狭窄，需修改左心室与动脉参数之间连接的流体交换定义，并执行工具箱文件以进行逆向力学模拟。

逆向力学模拟完成后，按指示运行后处理函数。然后在作业模块中创建心脏力学作业，以运行新的力学模拟。为在集总参数模型中模拟因压力超负荷引起的心壁僵硬，需修改左心室顺应性元件的左心室舒张期顺应性，并将左心室泵的泄漏阻力增加至18乘以10的6次方帕斯卡每秒每平方米。为在有限元分析模型中模拟慢性重构的影响，需编辑左心室几何结构的主动材料属性，并修改“力学材料左心室主动”文件中左心室的材料响应特性。

为了捕捉射血分数保留型心力衰竭生理状态下心肌刚度增加的响应，需提高各向异性超弹性本构模型中的A和B刚度参数。在预载荷步骤中，将左心室和左心房的流体腔压力设置为20毫米汞柱，并进行逆向力学模拟，以获得左心室和左心房的容积状态。随后按指示执行后处理函数，并如示例所示进行新的力学模拟。

两种计算机模拟模型在生理范围内表现出相似的主动脉和左心室血流动力学特征。在主动脉瓣狭窄条件下，两种模型均显示主动脉瓣口面积减少70%，压力和容积波形发生变化。此外，两种模型均能够捕捉到由于主动脉瓣狭窄引起的后负荷增加所导致的左心室收缩压升高。

在发生重构及左心室顺应性降低后，舒张末期压力-容积关系曲线上移，导致舒张末期压力升高而舒张末期容积降低。这些现象源于左心室无法充分松弛和充盈，在低维和高维模型中，射血分数保留型心力衰竭的压力-容积环均能成功再现上述特征。二尖瓣血流数据则清晰反映了早期松弛期和心房收缩期两个阶段。

与正常和狭窄的血流曲线相比，射血分数保留型心力衰竭的血流特征表现为早期舒张期二尖瓣血流峰值略高，而心房收缩期血流峰值显著降低。如这些心肌应力图所示，由于心室顺应性特征性下降，射血分数保留型心力衰竭中可观察到升高的应力。为了模拟压力超负荷的慢性效应，从而重现射血分数保留型心力衰竭的血流动力学特征，关键在于在每次模拟中相应地调整心室顺应性。

可以通过参数化研究心室僵硬度，以模拟不同类型的舒张功能障碍表型。这将使我们能够更全面地表征顺应性降低对疾病的影响。我们希望本研究能够为建立新型模型铺平道路，从而深化当前对射血分数保留型心力衰竭的理解，并推动针对该病症的治疗策略发展。