보존된 배출 분수로 심부전의 덩어리 매개변수 및 유한 원소 모델링

Luca Rosalia; Caglar Ozturk; Ellen T. Roche

doi:10.3791/62167

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방법 논문

보존된 배출 분수로 심부전의 덩어리 매개변수 및 유한 원소 모델링

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DOI:

10.3791/62167

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2021년 2월 13일

Luca Rosalia^*¹^,² , Caglar Ozturk^*¹ , Ellen T. Roche¹^,²^,³

¹Institute for Medical Engineering and Science, Massachusetts Institute of Technology, ²Health Science and Technology Program, Harvard/Massachusetts Institute of Technology, ³Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology

^* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

이 작품은 일괄 매개 변수 접근 방식과 유한 요소 분석을 기반으로 보존 된 배출 분획을 가진 심부전의 두 가지 계산 모델을 소개합니다. 이러한 모델은 압력 과부하 및 심실 규정 준수 감소에 의해 유도된 좌심실 및 관련 혈관의 혈역학적 변화를 평가하는 데 사용됩니다.

초록

심혈관 질환의 전산 모델링 분야의 과학적 노력은 주로 감소 된 배출 분수 (HFrEF)와 심장 마비에 초점을 맞추고있다, 광범위하게 보존 배출 분수와 심부전을 간과 (HFpEF), 이는 최근에 전 세계적으로 심장 마비의 지배적 인 형태가되고있다. 실리코 표현에서 HFpEF의 빈약성에 의해 동기를 부여, 두 개의 별개의 계산 모델은 왼쪽 심실 압력 과부하로 인한 HFpEF의 혈역학을 시뮬레이션하기 위해이 논문에 제시된다. 먼저, 숫자 솔버를 사용하여 객체 지향 덩어리 매개변수 모델을 개발했다. 이 모델은 구성 요소의 기하학적 및 기계적 특성에 따라 달라지며 낮은 계산 비용의 이점을 제공하는 0차원 (0D) Windkessel과 같은 네트워크를 기반으로합니다. 둘째, FEA(유한 요소 분석) 소프트웨어 패키지가 다차원 시뮬레이션의 구현을 위해 활용되었다. FEA 모델은 전기 기계 심장 반응, 구조 변형 및 유체 캐비티 기반 혈역학의 3차원 (3D) 다중 물리학 모델을 결합하고 단순화 된 덩어리 파라미터 모델을 사용하여 다양한 유체 충치 간의 유량 교환 프로파일을 정의합니다. 각 접근법을 통해, 압력 과부하로 인한 좌심실및 근위 혈관의 급성 및 만성 혈역학적 변화가 성공적으로 시뮬레이션되었습니다. 특히, 압력 과부하는 대동맥 판막의 오리피스 면적을 감소시킴으로써 모델링되었으며, 만성 리모델링은 좌심실 벽의 준수를 줄임으로써 시뮬레이션되었다. HFpEF의 과학적 및 임상 문헌과 일치, 두 모델의 결과 (i) 왼쪽 심실과 대동맥 사이의 경질 압력 그라데이션의 급성 고도 및 뇌졸중 볼륨의 감소와 (ii) 말기 확장기 왼쪽 심실 볼륨의 만성 감소, 확장기 기능 장애를 나타내는. 마지막으로, FEA 모델은 HFpEF 심근의 스트레스가 심장 주기 전반에 걸쳐 건강한 심장 조직보다 현저하게 높다는 것을 보여줍니다.

서론

심부전은 전 세계적으로 사망의 주요 원인이며, 심장이 신체의 대사 요구를 따라잡기 위해 적절하게 펌핑하거나 채울 수 없을 때 발생합니다. 배출 분획, 즉, 각 수축으로 배출되는 좌심실에 저장된 혈액의 상대적 양은 임상적으로 (i) 심부전으로 심부전을 감소시키는 심부전(HFrEF) 및 (ii) 심부전을 보존된 배출 분획(HFpEF)으로 분류하는 데 임상적으로^{사용되며,}각각 45% 미만또는 45%^미만의배출 분획을 위해,^35%이상 배출분획을 발생시키는 데 사용됩니다. HFpEF의 증상은 종종 좌심실 압력 과부하에 대한 응답으로 발생하며, 이는 대동맥 협착증, 고혈압 및 좌심실 유출로 방해^3,^4,^5,^6,^7을포함한 여러 조건에 의해 유발될 수 있다. 압력 과부하는 분자 및 세포 수차의 폭포를 구동하여 왼쪽 심실 벽 (동심 리모델링)의 두껍게 하고 궁....