Dit werk introduceert twee computationele modellen van hartfalen met geconserveerde ejectiefractie op basis van een lumped-parameter benadering en eindige elementenanalyse. Deze modellen worden gebruikt om de veranderingen in de hemodynamica van de linkerventrikel en gerelateerde vasculatuur veroorzaakt door drukoverbelasting en verminderde ventriculaire naleving te evalueren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Lumped-Parameter en Finite Element Modeling of Heart Failure met geconserveerde ejectiefractie
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Wetenschappelijke inspanningen op het gebied van computationele modellering van hart- en vaatziekten zijn grotendeels gericht op hartfalen met verminderde ejectiefractie (HFrEF), waarbij hartfalen met geconserveerde ejectiefractie (HFpEF) grotendeels over het hoofd wordt gezien, wat meer recentelijk wereldwijd een dominante vorm van hartfalen is geworden. Gemotiveerd door de schaarste van HFpEF in silico-representaties, worden in dit artikel twee verschillende computationele modellen gepresenteerd om de hemodynamica van HFpEF als gevolg van overbelasting van de linkerventrikeldruk te simuleren. Ten eerste werd een objectgeoriënteerd lumped-parameter model ontwikkeld met behulp van een numerieke solver. Dit model is gebaseerd op een nuldimensionaal (0D) Windkessel-achtig netwerk, dat afhankelijk is van de geometrische en mechanische eigenschappen van de constitutieve elementen en het voordeel biedt van lage rekenkosten. Ten tweede werd een softwarepakket voor eindige elementenanalyse (FEA) gebruikt voor de implementatie van een multidimensionale simulatie. Het FEA-model combineert driedimensionale (3D) multifysische modellen van de elektromechanische hartrespons, structurele vervormingen en op vloeistofholte gebaseerde hemodynamica en maakt gebruik van een vereenvoudigd lumped-parametermodel om de stroomuitwisselingsprofielen tussen verschillende vloeistofholtes te definiëren. Door elke benadering werden zowel de acute als chronische hemodynamische veranderingen in de linkerventrikel en proximale vasculatuur als gevolg van drukoverbelasting met succes gesimuleerd. In het bijzonder werd drukoverbelasting gemodelleerd door het openingsgebied van de aortaklep te verminderen, terwijl chronische remodellering werd gesimuleerd door de naleving van de linkerventrikelwand te verminderen. In overeenstemming met de wetenschappelijke en klinische literatuur van HFpEF tonen de resultaten van beide modellen (i) een acute verhoging van de transaortische drukgradiënt tussen de linkerventrikel en de aorta en een vermindering van het slagvolume en (ii) een chronische afname van het einddiastolische linkerventrikelvolume, wat wijst op diastolische disfunctie. Ten slotte toont het FEA-model aan dat stress in het HFpEF-myocardium opmerkelijk hoger is dan in het gezonde hartweefsel gedurende de hele hartcyclus.
Inleiding
Hartfalen is een belangrijke doodsoorzaak wereldwijd, die optreedt wanneer het hart niet in staat is om te pompen of voldoende te vullen om de metabolische eisen van het lichaam bij te houden. De ejectiefractie, d.w.z. de relatieve hoeveelheid bloed die is opgeslagen in de linkerventrikel die bij elke samentrekking wordt uitgeworpen, wordt klinisch gebruikt om hartfalen te classificeren in (i) hartfalen met verminderde ejectiefractie (HFrEF) en (ii) hartfalen met geconserveerde ejectiefractie (HFpEF), voor ejectiefracties kleiner dan of groter dan 45%, respectievelijk1,2,3. S....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. 0D-model met geklonterde parameter
- Simulatie-instellingen
OPMERKING: Bouw in de numerieke oplosseromgeving (zie de tabel met materialen)het domein zoals weergegeven in figuur 1. Dit bestaat uit het 4-kamerhart, het bovenlichaam, de buik, het onderlichaam en de thoracale compartimenten, evenals de proximale vasculatuur, waaronder de aorta, de longslagader en de superieure en inferieure venae cavae. De standaardelementen die in deze simulatie worden gebruikt, maken deel uit van de standaard hydraulische bibliotheek. Details zijn te vinden in de aanvullende bestanden.- Navigeer door de....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De resultaten van de basissimulaties worden geïllustreerd in figuur 3. Dit toont de druk- en volumegolfvormen van de linkerventrikel en de aorta (figuur 3A) en de linkerventrikel PV-lus (figuur 3B). De twee in silico-modellen vertonen vergelijkbare aorta- en linkerventrikelhemodynamica, die zich binnen het fysiologische bereik bevinden. Kleine verschillen in de respons die door de twee platforms worden voorspeld, kunnen worden opgem.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De in dit werk voorgestelde lumped-parameter en FEA-platforms vatten de cardiovasculaire hemodynamica onder fysiologische omstandigheden samen, zowel in de acute fase van stenose-geïnduceerde drukoverbelasting als bij chronische HFpEF. Door de rol vast te leggen die drukoverbelasting speelt in de acute en chronische fasen van de ontwikkeling van HFpEF, zijn de resultaten van deze modellen in overeenstemming met de klinische literatuur van HFpEF, inclusief het begin van een transaortische drukgradiënt als gevolg van aorta.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Aan dit werk zijn geen belangenconflicten verbonden.
Dankbetuigingen
We erkennen financiering van het Harvard-Massachusetts Institute of Technology Health Sciences and Technology-programma en de SITA Foundation Award van het Institute for Medical Engineering and Science.
....Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Abaqus Software | Dassault Systèmes Simulia Corp. | Versie gebruikt: 2018; FEA simulatiesoftware | |
| HETVAL | Dassault Systèmes Simulia Corp. | Versie gebruikt: 2018 | |
| Hydraulic (Isothermal) library | MathWorks | Versie gebruikt: 2020a | |
| Living Heart Human Model | Dassault Systèmes Simulia Corp. | Versie gebruikt: V2_1, anatomisch nauwkeurig FEA platform van 4-kamer volwassen menselijk hart | |
| MATLAB | MathWorks | Versie gebruikt: 2020a, object-georiënteerd numerieke oplosser | |
| SIMSCAPE FLUIDS | MathWorks | ||
| UAMP | Dassault Systèmes Simulia Corp. | Versie gebruikt: 2018 | |
| VUANISOHYPER | Dassault Systèmes Simulia Corp. | Versie gebruikt: 2018 |
Referenties
- Borlaug, B. A., Paulus, W. J. Heart failure with preserved ejection fraction: Pathophysiology, diagnosis, and treatment. European Heart Journal. 32 (6), 670-679 (2011).
- Borlaug, B. A., Kane, G. C., Melenovsky, V., Olson, T. P.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
