Lumped-Parameter- und Finite-Elemente-Modellierung von Herzinsuffizienz mit konservierter Auswurffraktion

Dieses Protokoll kann verwendet werden, um die akute Druckbelastung sowie den chronischen Verlust der ventrikulären Compliance zu rekapitulieren, um die Auswirkungen von Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion auf die kardiovaskuläre Hämodynamik zu untersuchen. Unser Lumped-Parameter-Modell ist sehr recheneffizient und der finanzielle Betragsansatz integriert den elektrischen und strukturellen Bereich für eine genauere Modellierung der kardiovaskulären Hämodynamik. Es besteht ein starker technischer Bedarf an wirksamen Behandlungen für EFPEF.

Computergestützte Methoden wie unsere sind bei der Entwicklung und zulassung von Medizinprodukten und Therapeutika von größter Bedeutung. Um ein Nulldimensions-Lumped-Parameter-Modell einzurichten, navigieren Sie nach dem Erstellen einer Domäne in der numerischen Solver-Umgebung wie dargestellt zur Hydraulikbibliothek, um die erforderlichen Elemente zu finden und die hydraulischen Rohrleitungselemente in den Arbeitsbereich zu legen. Setzen Sie die Hydraulikkammerelemente mit konstantem Volumen ein, um die Wandkonformität und die Kompressibilität der Flüssigkeit zu definieren.

Und fügen Sie die linearen Widerstandselemente hinzu, um den Strömungswiderstand zu definieren. Modellieren Sie die Kontraktilität jeder Herzkammer durch das benutzerdefinierte variable Compliance-Konformitätskammerelement und geben Sie die Parameter relativ zu jedem Element an, wie in der Tabelle dargestellt. Fügen Sie dann ein physikalisches Signal-Repeating-Sequenzelement für jeden der Blöcke ein, die ein zeitvariables benutzerdefiniertes Eingangssignal erfordern, wählen Sie den standardmäßigen impliziten ODE 23 T-Solver aus und führen Sie die Simulation 100 Sekunden lang aus, um einen stationären Zustand zu erreichen.

Um ein Finite-Elemente-Analysemodell einzurichten, navigieren Sie zur elektrischen Domäne und wählen Sie das Standardmodul aus. Wählen Sie den einzelnen Analyse-Beat-Schritt aus. Stellen Sie die Dauer des Herzzyklus auf 500 Millisekunden ein und wenden Sie einen elektrischen Potentialpol auf einen Knotensatz an, der den Sinusknoten darstellt.

Nachdem Sie die standardmäßige elektrische Wellenform überprüft haben, starten Sie das Auftragsmodul und erstellen Sie einen elektrischen Herzauftrag. Sobald die Einrichtung der elektrischen Analyse abgeschlossen ist, navigieren Sie im Vorladeschritt zur mechanischen Domäne. Überprüfen Sie die Randbedingungen des vorgespannten Zustands des Herzens und wählen Sie 0,3 Sekunden als Schrittzeit.

Verwenden Sie im Takt eines Schritts 0,5 Sekunden als Schrittzeit, um die Kontraktion zu simulieren. Wählen Sie in einem Schritt der Erholung 0,5 Sekunden für die Herzentspannung und die ventrikuläre Füllung für eine Herzfrequenz von 60 Schlägen pro Minute. Starten Sie das Jobmodul und erstellen Sie einen herzmechanischen Job.

Aktivieren Sie die Option mit doppelter Genauigkeit. Überprüfen Sie das vereinfachte Lumped-Parameter-Windburgmodell und die Darstellung des Blutflussmodells, wobei die Werte der resistiven und kapazitiven Elemente für die Strömungswiderstände bzw. strukturellen Konformitäten bei Bedarf angepasst werden. Überprüfen Sie die 3D-Finite-Elemente-Darstellung der vier Herzkammern und bestätigen Sie, dass ihre geometrischen Positionen korrekt sind.

Wechseln Sie nach der Überprüfung der Herzanordnung zum Interaktionsmodul, um die Compliance- und Kontraktilitätswerte jeder der vier Herzkammern anzupassen. Überprüfen Sie den Steifigkeitswert, um die Druckvolumenreaktion in den Arterien-, Venus- und Lungenzirkulationen zu modellieren, und passen Sie den viskosen Widerstandskoeffizienten an, um das Blutflussmodell in jeder Lebensmittelaustauschverbindung zu ändern. Für eine Multiphysiksimulation fügen Sie die Eingabe-, Objekt- und Bibliotheksdateien in das Arbeitsverzeichnis ein und starten Sie die Simulationssoftware für das Finite-Elemente-Analysemodell.

Führen Sie den elektrischen Auftrag für das Elektrische Stimulationsherd aus, und vergewissern Sie sich, dass sich die resultierende ODB-Datei im Arbeitsverzeichnis befindet. Wechseln Sie in die mechanische Domäne, um zur zweiten Simulationsphase überzugehen. Verwenden Sie im Vorspannschritt die integrierte Option für die glatte Amplitude, um das Druckniveau von Null auf das gewünschte Niveau zu erhöhen.

Deaktivieren Sie dann die Druckrandbedingungen, um das Blutflussmodell mit einem konstanten Gesamtblutvolumen innerhalb des Kreislaufsystems auszuführen und den Herzmikrofonsimulationsjob auszuführen. Um die Aortenklappenstenose in einem lumpierten Parametermodell zu simulieren, modifizieren Sie im linksventrikulären Kompartiment das Eingangssignal relativ zur Aortenklappe und simulieren Sie eine Verringerung der Öffnungsfläche um 70% im Vergleich zum Ausgangswert. Um die Aortenklappenstenose und das FEA-Modell zu simulieren, ändern Sie die Definition des Flüssigkeitsaustauschs des Link-Linksventrikel-Arterienparameters und führen Sie die Toolbox-Dateien aus, um eine inverse mechanische Simulation durchzuführen.

Sobald die inverse mechanische Simulation abgeschlossen ist, führen Sie die Nachbearbeitungsfunktionen wie angegeben aus. Sehen Sie sich dann das Jobmodul an und erstellen Sie einen Heart-Mech-Job, um eine neue mechanische Simulation auszuführen, wie gezeigt Um die Wandversteifung aufgrund von Drucküberlastung im Lumped-Parameter-Modell nachzuahmen, modifizieren Sie die linksventrikuläre diastolische Konformität des linken Ventrikel-Compliance-Elements und erhöhen Sie den Leckwiderstand der linken Ventrikelpumpe auf 18 mal 10 bis sechs Pascal pro Sekunde pro Meter. Um die Auswirkungen der chronischen Umgestaltung im Finite-Elemente-Analysemodell zu simulieren, bearbeiten Sie die aktiven Materialeigenschaften der geometrie des linken Ventrikels und ändern Sie die Materialreaktion des linken Ventrikels in der aktiven Datei des linken Ventrikels für mechanisches Material.

Um die erhöhte Steifigkeitsreaktion für die Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktionsphysiologie zu erfassen, erhöhen Sie die A- und B-Steifigkeitsparameter in der anisotropen hyperelastischen Formulierung. Stellen Sie im Vorspannungsschritt die Flüssigkeitshohlraumdrücke des linken Ventrikels und des linken Vorhofs auf 20 Millimeter Quecksilber ein und führen Sie eine inverse mechanische Simulation durch, um den volumetrischen Zustand des linken Ventrikels und des Vorhofs zu erhalten. Führen Sie dann die Nachbearbeitungsfunktionen wie angegeben aus und führen Sie eine neue mechanische Simulation durch, wie gezeigt.

Die beiden In-silico-Modelle zeigen ähnliche Aorten- und linksventrikuläre Hämodynamiken im physiologischen Bereich. Unter Aortenstenosebedingungen zeigen Druck- und Volumenwellenformen in beiden Modellen eine 70%ige Reduktion der Aortenklappenöffnung. Beide Modelle sind auch in der Lage, den Anstieg des systolischen linksventrikulären Drucks aufgrund des durch eine Aortenstenose induzierten Anstiegs und der Nachlast zu erfassen.

Bei Umbau und linksventrikulärem Compliance-Verlust wird die enddiastolische Druckvolumenbeziehung erhöht, was zu diastolischen Drücken am oberen Ende und diastolischen Volumina am unteren Ende führt. Diese Phänomene, die auf die Unfähigkeit des linken Ventrikels zurückzuführen sind, sich zu entspannen und sich angemessen zu fühlen, werden von der Herzinsuffizienz mit erhaltenen Ejektionsfraktions-Druckvolumenschleifen sowohl im niedrig- als auch im hochdimensionalen Modell erfolgreich erfasst. Der Durchfluss durch die Mitralklappendaten hebt sowohl die frühe Entspannungs- als auch die Vorhoffnungsphase hervor.

Im Vergleich zu den Normal- und Stenoseprofilen war die Herzinsuffizienz mit konserviertem Ejektionsfraktionsfluss durch einen etwas höheren Peak-Mitralfluss in der Frühen Relaxationsphase und einen signifikant verminderten Peak-Vorhoffnungsphasenfluss gekennzeichnet. Wie in diesen Myokard-Stresskarten dargestellt, können erhöhte Spannungen bei der Herzinsuffizienz mit erhaltener Auswurffraktion aufgrund des charakteristischen Verlustes der ventrikulären Compliance beobachtet werden. Um die chronischen Auswirkungen einer Drucküberlastung zu modellieren und damit die Hämodynamik der Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion zu rekapitulieren, ist es entscheidend, die ventrikuläre Compliance in jeder Simulation entsprechend zu ändern.

Die stoische Steifigkeit kann parametrisch untersucht werden, um verschiedene Phänotypen der diastolischen Dysfunktion zu simulieren. Dies wird es uns ermöglichen, die Auswirkungen einer verminderten Compliance auf die Krankheit umfassender zu charakterisieren. Wir hoffen, dass unsere Arbeit den Weg zur Erstellung von Modellen ebnet, die unser aktuelles Verständnis von Herzinsuffizienz mit konservierter Ejektionsfraktion voranbringen und die Entwicklung von Therapien für diese Erkrankung unterstützen können.