保存された駆出率を用いた心不全の塊状パラメータと有限要素モデリング

このプロトコルは、急性圧力負荷を再現するだけでなく、心室コンプライアンスの慢性的な損失を再現するために使用することができ、心血管の力学に対する保存された駆出率を有する心不全の影響を調査する。当社の一括パラメータモデルは計算効率が非常に高く、財務金額アプローチは、心血管系の力学のより正確なモデリングのために電気的および構造的領域を統合します。EFPEFの効果的な治療のための強い技術的必要性がある。

当社のような計算方法は、医療機器および治療薬の開発および規制承認において最も重要です。ゼロ次元の集中パラメータモデルを設定するには、図のように数値ソルバー環境でドメインを構築した後、水力学ライブラリに移動して必要な要素を見つけ、油圧パイプライン要素をワークスペースにドロップします。固定体積油圧チャンバ要素を挿入して、壁のコンプライアンスと流体の圧縮性を定義します。

そして、流れに対する抵抗を定義するために線形抵抗要素を追加します。カスタム変数コンプライアンスコンプライアンスチャンバー要素を介して各心臓チャンバーの収縮性をモデル化し、表に示すように各要素に対して相対的なパラメータを提供します。次に、時間変化するユーザー定義入力信号を必要とする各ブロックに物理信号繰り返しシーケンス要素を挿入し、デフォルトのODE 23 T暗黙ソルバーを選択し、シミュレーションを100秒間実行して定常状態に達します。

有限要素解析モデルを設定するには、電気領域に移動して標準モジュールを選択します。単一の解析ビートステップを選択します。心周期の持続時間を 500 ミリ秒に設定し、電位電柱を、心房ノードを表すノード セットに適用します。

デフォルトの電気波フォームを確認した後、ジョブモジュールを起動し、心臓電気ジョブを作成します。電気解析の設定が完了したら、プリロードステップで Mechanical ドメインにナビゲートします。心臓のプレストレス状態の境界条件を確認し、ステップ時間として0.3秒を選択します。

拍動1ステップでは、収縮をシミュレートするステップ時間として0.5秒を使用します。回復1ステップでは、心臓弛緩と心室充填に0.5秒を選択し、心拍数は毎分60拍です。ジョブモジュールを起動し、心臓の機械的な仕事を作成します。

倍精度オプションを有効にします。単純化された一括パラメータのウィンド キャッスル モデルと、必要に応じて、流れ抵抗と構造コンプライアンスの抵抗要素と静電容量要素の値を調整する血流モデルの表現を確認します。4つの心臓室の3D有限要素表現を確認し、その幾何学的位置が正確であることを確認します。

心臓アセンブリを確認した後、インタラクションモジュールに切り替えて、4つの心臓室のそれぞれのコンプライアンスと収縮性の値を調整します。剛性値を確認して、動脈、金星、肺循環の圧力体積応答をモデル化し、粘性抵抗係数を調整して各食物交換リンクの血流モデルを変更します。マルチ物理シミュレーションの場合、入力ファイル、オブジェクト ファイル、ライブラリ ファイルを作業ディレクトリに挿入し、有限要素解析モデルシミュレーション ソフトウェアを起動します。

電気刺激心臓の電気的ジョブを実行し、結果のODBファイルが作業ディレクトリにあることを確認します。メカニカルドメインに切り替えて、2番目のシミュレーションフェーズに移行します。プリロードステップでは、組み込みのスムーズ振幅オプションを使用して、圧力レベルをゼロから希望のレベルに引き上げます。

その後、循環システム内の一定の全体的な血液量で血流モデルを実行するために圧力境界条件を無効にし、心臓マイクシミュレーションジョブを実行します。一括パラメータモデルで大動脈弁狭窄をシミュレートするには、左心室コンパートメントで、大動脈弁に対する入力信号を修正し、ベースラインと比較して70%に等しいオリフィス領域の減少をシミュレートします。大動脈弁狭窄とFEAモデルをシミュレートするには、左心室動脈パラメータのリンクの流体交換定義を修正し、逆の機械的シミュレーションを実行するために、ツールボックスファイルを実行します。

逆の機械的シミュレーションが完了したら、後処理機能を指示どおりに実行します。次に、ジョブモジュールを見て、一括パラメータモデルの圧力過負荷による壁の硬化を模倣し、左心室コンプライアンス要素の左心室拡張期コンプライアンスを変更し、左心室ポンプの漏れ抵抗を1メートル当たり6パスカルに18倍に増やすために、新しい機械シミュレーションを実行する心臓メックジョブを作成します。有限要素解析モデルでの慢性リモデリングの効果をシミュレートするには、左心室ジオメトリのアクティブな材料特性を編集し、左心室のアクティブファイルの機械材料で左心室の材料応答を修正します。

保存された駆出率生理学で心不全に対する剛性応答の増加を捉えるために、異方性超弾性製剤のAおよびB剛性パラメータを増加させる。プリロードステップでは、左心室と左心房の流体空洞圧力を水銀20ミリメートルに設定し、逆の機械的シミュレーションを行い、左心室と心房の体積状態を取得します。次に、示されたとおりに後処理機能を実行し、実例に示すように新しい機械シミュレーションを実行します。

2つのインシリコモデルは、生理学的範囲内で同様の大動脈および左心室血行態を示す。大動脈狭窄条件下では、圧力および体積波の形態は両方のモデルの大動脈弁オリフィス面積の70%の減少を示す。両方のモデルはまた大動脈狭窄によって誘発される上昇および後負荷による収縮期左心室圧の増加を捕獲することができる。

リモデリングと左心室コンプライアンス損失時に、末拡張期圧力容積関係が上昇し、末側拡張期圧および下端拡張期容積が上昇する。これらの現象は、左心室がリラックスして十分に感じることができないために、低次元モデルと高次元モデルの両方で保存された駆出率の圧力体積ループを持つ心不全によって正常に捕捉される。僧帽弁データを通る流れは、早期弛緩と心房収縮相の両方を強調する。

正常および狭窄プロファイルと比較して、保存された駆出率流を有する心不全は、わずかに高いピーク早期緩和段階の僧帽弁流と、ピーク心房収縮相流を有意に減少させることを特徴とする。これらの心筋ストレスマップに示すように、心室コンプライアンスの特徴的な喪失による保存された駆出率を有する心不全において高い応力が観察され得る。圧力過負荷の慢性的な影響をモデル化し、保存された駆出率で心不全のヘモダイナミクスを再現するには、各シミュレーションにおける心室コンプライアンスをそれに応じて変更することが重要です。

ストリック剛性は、拡張期機能不全の様々なフェノタイプをシミュレートするためにパラメトリックに調査することができます。これにより、コンプライアンスの低下が病気に及ぼす影響をより包括的に特徴付けられるようになります。私たちの仕事は、保存された駆出率で心不全の現在の理解を進めることができ、この状態のための治療法の開発をサポートするモデルの作成への道を開くことを願っています。