Lumped-Parameter en Finite Element Modeling of Heart Failure met geconserveerde ejectiefractie

Dit protocol kan worden gebruikt om acute drukbelasting te heroveren, evenals chronisch verlies van ventriculaire naleving om de effecten van hartfalen met geconserveerde ejectiefractie op cardiovasculaire hemodynamica te onderzoeken. Ons Lumped-Parameter model is zeer rekenkundig efficiënt en de financiële bedragbenadering integreert het elektrische en structurele domein voor een nauwkeurigere modellering van cardiovasculaire hemodynamica. Er is een sterke technische behoefte aan effectieve behandelingen voor EFPEF.

Computationele methoden zoals de onze, zijn van het grootste belang bij de ontwikkeling en goedkeuring van medische hulpmiddelen en therapieën. Als u een lumped-parametermodel met nul dimensies wilt instellen, navigeert u na het bouwen van een domein in de numerieke oplosseromgeving zoals geïllustreerd naar de hydraulicabibliotheek om de vereiste elementen te vinden en de hydraulische pijplijnelementen in de werkruimte te laten vallen. Plaats de hydraulische kamerelementen met constant volume om de wandconformiteit en vloeistofdrukbaarheid te definiëren.

En voeg de lineaire weerstandselementen toe om de weerstand tegen stroming te definiëren. Modelleer de contractiliteit van elke hartkamer door middel van het aangepaste variabele nalevingskamerelement en geef de parameters met betrekking tot elk element zoals geïllustreerd in de tabel. Plaats vervolgens een fysiek signaalherhalingssequentie-element voor elk van de blokken die een tijd variërend door de gebruiker gedefinieerd ingangssignaal vereisen, selecteer de standaard impliciete ODE 23 T-oplosser en voer de simulatie gedurende 100 seconden uit om een stabiele toestand te bereiken.

Als u een eindige-elementenanalysemodel wilt instellen, navigeert u naar het elektrische domein en selecteert u de standaardmodule. Selecteer de enkele analyseslagstap. Stel de duur van de hartcyclus in op 500 milliseconden en pas een elektrische potentiaalpolen toe op een knooppuntset die de sinoatriale knoop vertegenwoordigt.

Nadat u het standaard elektrische golfformulier hebt bekeken, start u de taakmodule en maakt u een elektrische harttaak. Zodra de installatie van de elektrische analyse is voltooid, navigeert u naar het mechanische domein in de voorlaadstap. Bekijk de randvoorwaarden van de vooraf benadrukte toestand van het hart en selecteer 0,3 seconden als staptijd.

Gebruik in de beat één stap 0,5 seconden als staptijd om contractie te simuleren. Selecteer in één stap herstel 0,5 seconden voor hartontspanning en ventriculaire vulling voor een hartslag van 60 slagen per minuut. Start de jobmodule en creëer een hartmechanische job.

Schakel de optie dubbele precisie in. Bekijk het vereenvoudigde Lumped-parameter windkasteelmodel en de weergave van het bloedstroommodel om de waarden van de weerstands- en capacitieve elementen aan te passen voor respectievelijk de stromingsweerstanden en structurele nalevingen, indien nodig. Bekijk de 3D eindige elementen representatie van de vier hartkamers en bevestig dat hun geometrische posities nauwkeurig zijn.

Schakel na het controleren van de hartassemblage over naar de interactiemodule om de nalevings- en contractiliteitswaarden van elk van de vier hartkamers aan te passen. Bekijk de stijfheidswaarde om de drukvolumerespons in de arteriële, venus- en longcirculatie te modelleren en pas de viskeuze weerstandscoëfficiënt aan om het bloedstroommodel in elke voedseluitwisselingsverbinding te wijzigen. Voor een multi-physics simulatie, plaats de invoer-, object- en bibliotheekbestanden in de werkmap en start de eindige elementen analyse model simulatie software.

Voer de elektrische stimulatie hart elektrische taak uit en bevestig dat het resulterende ODB-bestand zich in de werkmap bevindt. Schakel over naar het mechanische domein om naar de tweede simulatiefase te gaan. Gebruik in de voorlaadstap de ingebouwde optie voor vloeiende amplitude om het drukniveau van nul naar het gewenste niveau te verhogen.

Schakel vervolgens de drukgrensvoorwaarden uit om het bloedstroommodel uit te voeren met een constant algeheel bloedvolume in het circulatiesysteem en voer de simulatietaak van de hartmicrofoon uit. Om aortaklepstenose te simuleren in een geklonterd parametermodel, in het linkerventrikelcompartiment, wijzigt u het ingangssignaal ten opzichte van de aortaklep en simuleert u een vermindering van het openingsgebied gelijk aan 70% in vergelijking met de uitgangswaarde. Om aortaklepstenose en het FEA-model te simuleren, wijzigt u de definitie van vloeistofuitwisseling van de link linkerventrikelslagaderparameter en voert u de toolboxbestanden uit om een omgekeerde mechanische simulatie uit te voeren.

Zodra de omgekeerde mechanische simulatie is voltooid, voert u de nabewerkingsfuncties uit zoals aangegeven. Bekijk vervolgens de jobmodule en maak een hartmecha-taak om een nieuwe mechanische simulatie uit te voeren, zoals aangetoond Om wandstijfheid na te bootsen als gevolg van drukoverbelasting in het lumped-parametermodel, wijzig de linker ventriculaire diastolische conformiteit van het linker ventrikelconformiteitselement en verhoog de lekbestendigheid van de linkerventrikelpomp tot 18 keer 10 tot de zes pascals per seconde per meter. Om de effecten van chronische remodellering in het eindige-elementenanalysemodel te simuleren, bewerkt u de actieve materiaaleigenschappen van de linkerventrikelgeometrie en wijzigt u de materiaalrespons van de linkerventrikel in het mechanische materiaal linkerventrikel actief bestand.

Om de verhoogde stijfheidsrespons voor het hartfalen vast te leggen met geconserveerde ejectiefractiefysiologie, verhoogt u de A- en B-stijfheidsparameters in de anisotrope hyperelastische formulering. Stel in de voorbelastingsstap de vloeistofholtedruk van de linkerventrikel en het linkeratrium in op 20 millimeter kwik en voer een omgekeerde mechanische simulatie uit om de volumetrische toestand van de linkerventrikel en het atrium te verkrijgen. Voer vervolgens de nabewerkingsfuncties uit zoals aangegeven en voer een nieuwe mechanische simulatie uit zoals aangetoond.

De twee in silico-modellen vertonen vergelijkbare aorta- en linkerventrikelhemodynamica binnen het fysiologische bereik. Onder aortastenoseomstandigheden vertonen druk- en volumegolfvormen een vermindering van 70% van het aortaklepopeningsgebied in beide modellen. Beide modellen zijn ook in staat om de toename van de systolische linkerventrikeldruk vast te leggen als gevolg van de stijging en nabelasting veroorzaakt door aortastenose.

Bij remodellering en linker ventriculaire compliance verlies, de end-diastolische druk volume relatie wordt verhoogd, wat resulteert in hogere end diastolische druk en lagere end diastolische volumes. Deze verschijnselen, die te wijten zijn aan het onvermogen van de linkerventrikel om te ontspannen en zich adequaat te voelen, worden met succes opgevangen door het hartfalen met geconserveerde drukvolumelussen met ejectiefractie in zowel de lage als hoge dimensionale modellen. De stroom door de mitralisklepgegevens benadrukt zowel de vroege ontspannings- als de atriale contractiefasen.

In vergelijking met de normale en stenoseprofielen werd het hartfalen met geconserveerde ejectiefractiestroom gekenmerkt door een iets hogere piek vroege ontspanningsfase mitralisstroom en een aanzienlijk verminderde piek atriale contractiefasestroom. Zoals geïllustreerd in deze myocard stress kaarten, verhoogde spanningen kunnen worden waargenomen in het hartfalen met geconserveerde ejectiefractie als gevolg van het karakteristieke verlies van ventriculaire naleving. Om de chronische effecten van drukoverbelasting te modelleren en zo de hemodynamica van hartfalen met geconserveerde ejectiefractie samen te vatten, is het van cruciaal belang om de ventriculaire naleving in elke simulatie dienovereenkomstig te veranderen.

De stolic stijfheid kan parametrisch worden onderzocht om verschillende fenotypes van diastolische disfunctie te simuleren. Dit zal ons in staat stellen om de effecten van verminderde naleving op ziekten uitgebreider te karakteriseren. We hopen dat ons werk de weg vrijmaakt voor het creëren van modellen die ons huidige begrip van hartfalen kunnen bevorderen met geconserveerde ejectiefractie en de ontwikkeling van therapieën voor deze aandoening ondersteunen.