Modellazione a parametro raggruppato e elemento finito dell'insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata

Questo protocollo può essere utilizzato per ricapitolare il carico di pressione acuta, così come la perdita cronica di conformità ventricolare per indagare gli effetti dell'insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata sull'emodinamica cardiovascolare. Il nostro modello lumped-parameter è molto efficiente dal punto di vista computativo e l'approccio della quantità finanziaria integra il dominio elettrico e strutturale per una modellazione più accurata dell'emodinamica cardiovascolare. Vi è una forte necessità tecnica di trattamenti efficaci per l'EFPEF.

Metodi computazionali come il nostro, sono fondamentali nello sviluppo e nell'approvazione normativa di dispositivi medici e terapie. Per impostare un modello a parametro forfait a dimensione zero, dopo aver costruito un dominio nell'ambiente del risolutore numerico come illustrato, passare alla libreria idraulica per trovare gli elementi richiesti e far cadere gli elementi della tubazione idraulica nel workspace. Inserire gli elementi della camera idraulica a volume costante per definire la conformità della parete e la comprimibilità del fluido.

E aggiungere gli elementi di resistenza lineare per definire la resistenza al flusso. Modellare la contrattilità di ogni camera cardiaca attraverso l'elemento della camera di conformità della conformità variabile personalizzata e fornire i parametri relativi a ciascun elemento come illustrato nella tabella. Quindi inserire un elemento di sequenza di ripetizione del segnale fisico per ciascuno dei blocchi che richiedono un tempo variabile dal segnale di ingresso definito dall'utente, selezionare il risolutore implicito ODE 23 T predefinito ed eseguire la simulazione per 100 secondi per raggiungere uno stato stazionario.

Per impostare un modello di analisi degli elementi finiti, passare al dominio elettrico e selezionare il modulo standard. Selezionate il singolo passo di battito dell'analisi. Impostare la durata del ciclo cardiaco su 500 millisecondi e applicare un potenziale poli elettrico a un set di nodi che rappresenta il nodo sinoatriale.

Dopo aver esaminato la forma d'onda elettrica predefinita, avviare il modulo di lavoro e creare un lavoro elettrico cardiaco. Una volta completata la configurazione dell'analisi elettrica, passare al dominio meccanico nella fase di precaricamento. Esaminare le condizioni limite dello stato pre-stressato del cuore e selezionare 0,3 secondi come tempo di passaggio.

Nel passaggio beat one, usa 0,5 secondi come tempo di passaggio per simulare la contrazione. Nel recupero di un passaggio, selezionare 0,5 secondi per il rilassamento cardiaco e il riempimento ventricolare per una frequenza cardiaca di 60 battiti al minuto. Avviare il modulo di lavoro e creare un lavoro meccanico cardiaco.

Attivate l'opzione a doppia precisione. Esaminare il modello semplificato del castello del vento a parametro grumoso e la rappresentazione del modello del flusso sanguigno regolando i valori degli elementi resistivi e capacitivi rispettivamente per le resistenze del flusso e le conformità strutturali, se necessario. Rivedere la rappresentazione degli elementi finiti 3D delle quattro camere cardiache e confermare che le loro posizioni geometriche sono accurate.

Dopo aver controllato l'assemblaggio del cuore, passare al modulo di interazione per regolare i valori di conformità e contrattilità di ciascuna delle quattro camere cardiache. Esaminare il valore di rigidità per modellare la risposta del volume di pressione nelle circolazioni arteriosa, venere e polmonare e regolare il coefficiente di resistenza viscosa per modificare il modello del flusso sanguigno in ogni collegamento di scambio alimentare. Per una simulazione multi-fisica, inserire i file di input, oggetto e libreria nella directory di lavoro e avviare il software di simulazione del modello di analisi degli elementi finiti.

Eseguire il processo elettrico del cuore di stimolazione elettrica e verificare che il file ODB risultante si trova nella directory di lavoro. Passare al dominio meccanico per passare alla seconda fase di simulazione. Nella fase di precaricamento, utilizzate l'opzione di ampiezza liscia integrata per aumentare il livello di pressione da zero al livello desiderato.

Quindi disabilitare le condizioni limite di pressione per eseguire il modello del flusso sanguigno con un volume sanguigno complessivo costante all'interno del sistema di circolazione ed eseguire il lavoro di simulazione del microfono cardiaco. Per simulare la stenosi della valvola aortica in un modello di parametro raggruppato, nel compartimento ventricolare sinistro, modificare il segnale di ingresso relativo alla valvola aortica e simulare una riduzione dell'area dell'orifizio pari al 70% rispetto alla linea di base. Per simulare la stenosi della valvola aortica e il modello FEA, modificare la definizione di scambio di fluidi del parametro arterioso ventricolo sinistro del collegamento ed eseguire i file della casella degli strumenti per eseguire una simulazione meccanica inversa.

Una volta completata la simulazione meccanica inversa, eseguire le funzioni di post-elaborazione come indicato. Quindi guardare il modulo di lavoro e creare un lavoro di mech cardiaco per eseguire una nuova simulazione meccanica come dimostrato Per imitare l'irrigidimento della parete a causa del sovraccarico di pressione nel modello a parametro fortuito, modificare la conformità diastolica ventricolare sinistra dell'elemento di conformità del ventricolo sinistro e aumentare la resistenza alle perdite della pompa ventricolare sinistra a 18 per 10 ai sei pascal al secondo per metro. Per simulare gli effetti del rimodellamento cronico nel modello di analisi degli elementi finiti, modificate le proprietà attive del materiale della geometria del ventricolo sinistro e modificate la risposta materiale del ventricolo sinistro nel file attivo del ventricolo sinistro del materiale meccanico.

Per catturare la maggiore risposta di rigidità per l'insufficienza cardiaca con la fisiologia della frazione di espulsione preservata, aumentare i parametri di rigidità A e B nella formulazione iperelastica anisotropica. Nella fase di precarico, impostare le pressioni della cavità fluida del ventricolo sinistro e dell'atrio sinistro a 20 millimetri di mercurio ed eseguire una simulazione meccanica inversa per ottenere lo stato volumetrico del ventricolo sinistro e dell'atrio. Quindi eseguire le funzioni di post-elaborazione come indicato ed eseguire una nuova simulazione meccanica come dimostrato.

I due modelli in silico mostrano un'emodinamica ventricolare aortica e sinistra simile all'interno dell'intervallo fisiologico. In condizioni di stenosi aortica, le forme di pressione e d'onda di volume dimostrano una riduzione del 70% dell'area orifizio della valvola aortica in entrambi i modelli. Entrambi i modelli sono anche in grado di catturare l'aumento della pressione ventricolare sinistra sistolica a causa dell'aumento e del post-carico indotti dalla stenosi aortica.

Al momento del rimodellamento e della perdita di conformità ventricolare sinistra, la relazione del volume di pressione diastolica finale diventa elevata con conseguente pressione diastolica di fascia alta e volumi diastolici di fascia bassa. Questi fenomeni, dovuti all'incapacità del ventricolo sinistro di rilassarsi e sentirsi adeguatamente, vengono catturati con successo dall'insufficienza cardiaca con anelli di volume di pressione della frazione di espulsione conservati sia nei modelli a bassa che in quello ad alta dimensione. Il flusso attraverso i dati della valvola mitrale evidenzia sia le fasi di rilassamento precoce che di contrazione atriale.

Rispetto ai profili normali e stenosi, l'insufficienza cardiaca con flusso di frazione di espulsione preservata è stata caratterizzata da un picco leggermente più elevato del flusso mitralica della fase di rilassamento precoce e da un flusso della fase di contrazione atriale di picco significativamente diminuito. Come illustrato in queste mappe di stress del miocardio, si possono osservare sollecitazioni elevate nell'insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata a causa della caratteristica perdita di conformità ventricolare. Per modellare gli effetti cronici del sovraccarico di pressione e quindi ricapitolare l'emodinamica dell'insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata, è fondamentale modificare di conseguenza la conformità ventricolare in ogni simulazione.

La rigidità stolica può essere studiata parametricamente per simulare vari fenotipi di disfunzione diastolica. Questo ci permetterà di caratterizzare in modo più completo gli effetti della diminuzione della conformità sulle malattie. Speriamo che il nostro lavoro apra la strada alla creazione di modelli in grado di far progredire la nostra attuale comprensione dell'insufficienza cardiaca con una frazione di espulsione preservata e supporta lo sviluppo di terapie per questa condizione.