Modelowanie parametrów skupionych i elementów skończonych niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową
13 lutego 2021
Ta praca wprowadza dwa modele obliczeniowe niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową oparte na podejściu z parametrami skupionymi i analizie elementów skończonych. Modele te służą do oceny zmian w hemodynamice lewej komory i związanego z nią układu naczyniowego wywołanych przeciążeniem ciśnieniowym i zmniejszoną podatnością komór.
Protokół ten może być wykorzystany do podsumowania ostrego obciążenia ciśnieniem, a także przewlekłej utraty podatności komór w celu zbadania wpływu niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową na hemodynamikę układu sercowo-naczyniowego. Nasz model Lumped-Parameter jest bardzo wydajny obliczeniowo, a podejście oparte na kwocie finansowej integruje domenę elektryczną i strukturalną w celu dokładniejszego modelowania hemodynamiki układu sercowo-naczyniowego. Istnieje duże zapotrzebowanie techniczne na skuteczne metody leczenia EFPEF.
Metody obliczeniowe, takie jak nasza, mają zasadnicze znaczenie w opracowywaniu i zatwierdzaniu przez organy regulacyjne wyrobów medycznych i środków terapeutycznych. Aby skonfigurować model o zerowym wymiarze z parametrami grupowymi, po utworzeniu domeny w środowisku solwera numerycznego, jak pokazano na ilustracji, przejdź do biblioteki hydrauliki, aby znaleźć wymagane elementy i upuść elementy rurociągu hydraulicznego w obszarze roboczym. Wstaw elementy komory hydraulicznej o stałej objętości, aby określić podatność ścian i ściśliwość płynu.
I dodaj liniowe elementy oporu, aby zdefiniować opór przepływu. Modeluj kurczliwość każdej komory serca za pomocą elementu komory zgodności ze zmienną niestandardową i podaj parametry względem każdego elementu, jak pokazano w tabeli. Następnie wstaw element sekwencji powtarzającej sygnał fizyczny dla każdego z bloków, które wymagają zmiennego w czasie sygnału wejściowego zdefiniowanego przez użytkownika, wybierz domyślny niejawny solver ODE 23 T i uruchom symulację na 100 sekund, aby osiągnąć stan ustalony.
Aby skonfigurować model analizy metodą elementów skończonych, przejdź do domeny elektrycznej i wybierz moduł standardowy. Wybierz pojedynczy krok rytmu analizy. Ustaw czas trwania cyklu pracy serca na 500 milisekund i przyłóż bieguny potencjału elektrycznego do zestawu węzłów reprezentujących węzeł zatokowo-przedsionkowy.
Po przejrzeniu domyślnego formularza fali elektrycznej uruchom moduł zadania i utwórz zadanie elektryczne serca. Po zakończeniu konfiguracji analizy elektrycznej przejdź do domeny mechanicznej w kroku obciążenia wstępnego. Przejrzyj warunki brzegowe stanu wstępnie naprężonego serca i wybierz 0,3 sekundy jako czas kroku.
W jednym kroku rytmu użyj 0,5 sekundy jako czasu kroku, aby zasymulować skurcz. W jednym kroku odzyskiwania wybierz 0,5 sekundy na relaksację serca i napełnianie komór, aby uzyskać tętno 60 uderzeń na minutę. Uruchom moduł zadania i utwórz zadanie mechaniczne serca.
Włącz opcję podwójnej precyzji. Zapoznaj się z uproszczonym modelem zamku wiatrowego z parametrami skupionymi i reprezentacją modelu przepływu krwi, dostosowując w razie potrzeby wartości elementów rezystancyjnych i pojemnościowych odpowiednio dla oporów przepływu i zgodności strukturalnej. Przejrzyj reprezentację elementów skończonych 3D czterech komór serca i potwierdź, że ich położenie geometryczne jest dokładne.
Po sprawdzeniu zespołu serca przełącz się na moduł interakcji, aby dostosować wartości podatności i kurczliwości każdej z czterech komór serca. Przejrzyj wartość sztywności, aby modelować reakcję objętościową ciśnienia w krążeniu tętniczym, żylnym i płucnym i dostosuj współczynnik oporu lepkości, aby zmodyfikować model przepływu krwi w każdym ogniwie wymiany pokarmowej. W przypadku symulacji wielofizycznej wstaw pliki wejściowe, obiekty i biblioteki do katalogu roboczego i uruchom oprogramowanie do symulacji modelu analizy elementów skończonych.
Uruchom zadanie elektryczne stymulacji serca i upewnij się, że wynikowy plik ODB znajduje się w katalogu roboczym. Przełącz się do domeny mechanicznej, aby przejść do drugiej fazy symulacji. Na etapie napięcia wstępnego użyj wbudowanej opcji płynnej amplitudy, aby zwiększyć poziom ciśnienia od zera do żądanego poziomu.
Następnie wyłącz warunki brzegowe ciśnienia, aby uruchomić model przepływu krwi ze stałą całkowitą objętością krwi w układzie krążenia i uruchomić zadanie symulacji mikrofonu serca. Aby zasymulować zwężenie zastawki aortalnej w modelu parametrów skupionych, w przedziale lewej komory zmodyfikuj sygnał wejściowy względem zastawki aortalnej i zasymuluj zmniejszenie powierzchni otworu równe 70% w porównaniu z wartością wyjściową. Aby zasymulować zwężenie zastawki aortalnej i model MES, zmodyfikuj definicję wymiany płynu parametru tętnicy łączącej lewą komorę i wykonaj pliki zestawu narzędzi w celu przeprowadzenia odwrotnej symulacji mechanicznej.
Po zakończeniu odwrotnej symulacji mechanicznej uruchom funkcje przetwarzania końcowego zgodnie ze wskazaniami. Następnie obejrzyj moduł zadania i utwórz zadanie mecha serca, aby uruchomić nową symulację mechaniczną, jak pokazano Aby naśladować usztywnienie ściany z powodu przeciążenia ciśnieniem w modelu o parametrach skupionych, zmodyfikuj podatność rozkurczową lewej komory elementu podatności lewej komory i zwiększ opór przecieku pompy lewej komory do 18 razy 10 do sześciu paskali na sekundę na metr. Aby zasymulować skutki przewlekłego przebudowy w modelu analizy metodą elementów skończonych, należy edytować właściwości materiału aktywnego geometrii lewej komory i zmodyfikować odpowiedź materiału lewej komory w pliku aktywnym materiału mechanicznego lewej komory.
Aby uchwycić zwiększoną odpowiedź sztywności w niewydolności serca z zachowaną fizjologią frakcji wyrzutowej, należy zwiększyć parametry sztywności A i B w anizotropowym preparacie hiperelastycznym. Na etapie obciążenia wstępnego ustaw ciśnienie w jamie płynu w lewej komorze i lewym przedsionku na 20 milimetrów słupa rtęci i wykonaj odwrotną symulację mechaniczną, aby uzyskać stan objętościowy lewej komory i przedsionka. Następnie wykonaj funkcje przetwarzania końcowego zgodnie ze wskazówkami i wykonaj nową symulację mechaniczną, jak pokazano.
Dwa modele in silico wykazują podobną hemodynamikę aorty i lewej komory w zakresie fizjologicznym. W warunkach zwężenia zastawki aortalnej kształty fal ciśnienia i objętości wykazują 70% zmniejszenie powierzchni ujścia zastawki aortalnej w obu modelach. Oba modele są również w stanie uchwycić wzrost skurczowego ciśnienia w lewej komorze spowodowany wzrostem i obciążeniem następczym wywołanym zwężeniem zastawki aortalnej.
Po przebudowie i utracie podatności lewej komory, zależność objętości ciśnienia końcowo-rozkurczowego staje się podwyższona, co skutkuje wyższym końcowym ciśnieniem rozkurczowym i niższymi końcowymi objętościami rozkurczowymi. Zjawiska te, które wynikają z niezdolności lewej komory do rozluźnienia się i odpowiedniego czucia, są z powodzeniem wychwytywane przez niewydolność serca z zachowanymi pętlami objętości ciśnienia frakcji wyrzutowej zarówno w modelach niskowymiarowych, jak i wysokowymiarowych. Dane przepływu przez zastawkę mitralną podkreślają zarówno wczesną fazę relaksacji, jak i skurczu przedsionków.
W porównaniu z profilem prawidłowym i zwężeniowym, niewydolność serca z zachowanym przepływem frakcji wyrzutowej charakteryzowała się nieco wyższym szczytowym przepływem zamitralnym we wczesnej fazie relaksacji oraz istotnie zmniejszonym szczytowym przepływem w fazie skurczu przedsionków. Jak pokazano na tych mapach stresu mięśnia sercowego, podwyższone stresy można zaobserwować w niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową ze względu na charakterystyczną utratę podatności komór. Aby modelować przewlekłe skutki przeciążenia ciśnieniem, a tym samym podsumować hemodynamikę niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową, konieczna jest odpowiednia zmiana podatności komór w każdej symulacji.
Sztywność brzuszna może być badana parametrycznie w celu symulacji różnych fenotypów dysfunkcji rozkurczowej. Umożliwi nam to bardziej kompleksowe scharakteryzowanie wpływu zmniejszonego przestrzegania zaleceń na chorobę. Mamy nadzieję, że nasza praca utoruje drogę do stworzenia modeli, które mogą poszerzyć naszą obecną wiedzę na temat niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową i wesprzeć rozwój terapii tego schorzenia.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsza praca przedstawia dwa modele obliczeniowe niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową, wykorzystujące podejście parametrów skupionych oraz analizę elementów skończonych. Modele te oceniają zmiany hemodynamiczne w lewej komorze i powiązanym układzie naczyniowym wynikające z przeciążenia ciśnieniowego i zmniejszonej podatności komory.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Hemodynamika układu sercowo-naczyniowego
- Modelowanie obliczeniowe
- Badania nad niewydolnością serca
Wprowadzenie
- Niewydolność serca z zachowaną frakcją wyrzutową (HFpEF) stanowi istotne wyzwanie kliniczne.
- Zrozumienie zmian hemodynamicznych jest kluczowe dla opracowania skutecznych metod leczenia.
- Modele obliczeniowe mogą dostarczyć cennych informacji na temat dynamiki układu sercowo-naczyniowego.
- Istnieje potrzeba wprowadzenia efektywnych podejść do modelowania w badaniach nad układem sercowo-naczyniowym.
Cel badania
- Badanie efektów ostrego obciążenia ciśnieniowego oraz przewlekłej utraty podatności komór.
- Opracowanie modeli obliczeniowych, które dokładnie odwzorowują hemodynamikę układu sercowo-naczyniowego.
- Wspieranie rozwoju urządzeń medycznych i terapii w przypadku HFpEF.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie modelu parametrów skupionych w celu zwiększenia wydajności obliczeń.
- Integracja domen elektrycznej i strukturalnej dla zapewnienia dokładnego modelowania.
- Budowa zero-wymiarowego modelu parametrów skupionych w środowisku solvera numerycznego.
- Implementacja elementów hydraulicznych rurociągów oraz komór hydraulicznych o stałej objętości.
Główne wyniki
- Modele skutecznie symulują zmiany hemodynamiczne w różnych warunkach.
- Wykazano znaczenie podatności ścian oraz ściśliwości płynu w modelowaniu.
- Dostarczono podstaw dla przyszłych badań i rozwoju urządzeń.
- Podkreślono techniczną potrzebę opracowania skutecznych metod leczenia HFpEF.
Wnioski
- Metody obliczeniowe są niezbędne dla pogłębienia zrozumienia HFpEF.
- Opracowane modele mogą pomóc w procesach zatwierdzania nowych terapii przez organy regulacyjne.
- Dalsze badania są konieczne w celu udoskonalenia tych modeli oraz ich zastosowań.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Modelowanie obliczeniowe niewydolności serca z zachowaną frakcją wyrzutową (HFpEF) wypełnia krytyczną lukę w badaniach i rozwoju w obszarze kardiowaskularnym, umożliwiając mechanistyczną redukcję ryzyka w odniesieniu do hipotez terapeutycznych. Modele te, opracowane in silico, wspierają walidację punktów uchwytu oraz zwiększają pewność predykcyjną we wczesnych etapach odkrywania leków poprzez symulowanie odpowiedzi hemodynamicznych na przeciążenie ciśnieniowe i zwiększenie sztywności komory. Podejście dwuskalowe — łączące niskokosztowe modele parametrów skupionych z wysokoprecyzyjną analizą elementów skończonych — zapewnia ciągłość translacyjną od etapu odkrywania po ewaluację przedkliniczną.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie hipotez terapeutycznych związanych z podatnością komór oraz modulacją obciążenia następczego w patofizjologii HFpEF.
- Wartość operacyjna: Zapewnia wydajną obliczeniowo platformę do przesiewowego badania stopnia zaangażowania celu i modulacji szlaków w kontrolowanych warunkach hemodynamicznych.
- Wartość prognostyczna: Wspiera biologiczną redukcję ryzyka poprzez replikowanie kluczowych fenotypów HFpEF, takich jak podwyższony gradient przezaortalny i zmniejszona objętość wyrzutowa.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe, powtarzalne wyniki hemodynamiczne (np. pętle ciśnienie-objętość, profile przepływu przez zastawkę mitralną) w celu standaryzacji analizy.
- Wartość operacyjna: Ułatwia przygotowanie zwalidowanych systemów biologicznych do późniejszej oceny związków i oceny zależności dawka-odpowiedź.
- Ponowne wykorzystanie platformy: Umożliwia skalowalne, wielokrotne wykorzystanie przepływów pracy w symulacjach dla wielu klas celów i fenotypów chorobowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Rejestruje efekty przewlekłego przebudowywania, w tym podwyższone ciśnienie koniec rozkurczowe oraz zmniejszoną objętość, co jest zgodne z klinicznymi fenotypami HFpEF.
- Wartość operacyjna: Wspiera decyzje dotyczące rozwoju projektu w oparciu o analizę ryzyka poprzez modelowanie progresji dysfunkcji rozkurczowej w warunkach przeciążenia ciśnieniowego.
- Ciągłość translacyjna: Łączy procesy odkrywcze z workflowami przedklinicznymi dzięki spójnemu fenotypowaniu hemodynamicznemu w różnych skalach modeli.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z procesem odkrywania leków – od walidacji celu, poprzez identyfikację związku wiodącego, aż po walidację przedkliniczną – dostarczając fenotypowania hemodynamicznego na coraz wyższych poziomach złożoności biologicznej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez symulację ostrych i przewlekłych zmian hemodynamicznych w lewej komorze i naczyniach krwionośnych.
- Przesiewy: Zapewnia gotowość do analiz dzięki powtarzalnym przebiegom ciśnienia i objętości w warunkach stenozy aortalnej oraz utraty podatności.
- Analityka: Umożliwia ilościowe porównanie warunków za pomocą mapowania stresu, pomiarów objętości końcowodorozkurczowej oraz gradientu przez aortę.
- Badania translacyjne: Łączy z walidacją przedkliniczną poprzez modelowanie przewlekłego przebudowywania i progresji dysfunkcji rozkurczowej.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Pozycjonuje strukturę modelowania jako wielokrotnego użytku narzędzie do redukcji ryzyka w odniesieniu do celów sercowo-naczyniowych w różnych modalnościach terapeutycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów terapeutycznych poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w hemodynamice HFpEF.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację, powtarzalność i skalowalność w ramach platform parametrów skupionych oraz elementów skończonych.
- Wartość strategiczna: Poprawia decyzje typu go/no-go, efektywność kapitałową i redukuje późne ryzyko biologiczne w programach kardyvaskularnych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację dostosowaną do ryzyka oraz decyzje o dalszym rozwoju w oparciu o wierność fenotypu hemodynamicznego.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu fizjologii obliczeniowej, solverów numerycznych oraz modelowania wielofizycznego.
- Zależne od dostępu do środowisk solverów numerycznych i oprogramowania do analizy elementów skończonych z możliwością sprzężenia elektromechano-przepływowego.
- Wymaga standaryzacji parametrów modelu, warunków brzegowych i protokołów walidacji pomiędzy zespołami.
- Wiąże się z koniecznością uwzględnienia adaptacji przy przekładaniu wyników z modeli z parametrami skupionymi na reprezentacje 3D w metodzie elementów skończonych.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne związane z uproszczeniem geometrycznym w modelach z parametrami skupionymi oraz kosztem obliczeniowym przy wysokiej rozdzielczości analizy FEA.
Często zadawane pytania dotyczące Biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:43
Zero-Dimensional (0D) Lumped-Parameter Model
1:48
Finite Element Analysis (FEA) Model
4:38
Aortic Valve Stenosis
5:29
Heart Failure with Preserved Ejection Fraction (HFpEF) Hemodynamics
6:46
Results: Representative Lumped-Parameter and FEA Heart Failure Modeling
8:26
Conclusion
