Parâmetro-caroço e Modelagem de elemento finito de insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada

Resumo

Este trabalho introduz dois modelos computacionais de insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada baseada em uma abordagem de parâmetros e análise de elementos finitos. Esses modelos são utilizados para avaliar as alterações na hemodinâmica do ventrículo esquerdo e vasculatura relacionada induzida pela sobrecarga de pressão e diminuição da conformidade ventricular.

Resumo

Os esforços científicos no campo da modelagem computacional de doenças cardiovasculares têm se concentrado em grande parte na insuficiência cardíaca com redução da fração de ejeção (HFrEF), amplamente negligenciando a insuficiência cardíaca com a fração de ejeção preservada (HFpEF), que mais recentemente se tornou uma forma dominante de insuficiência cardíaca em todo o mundo. Motivados pela escassez de HFpEF em representações de silico, dois modelos computacionais distintos são apresentados neste artigo para simular a hemodinâmica do HFpEF resultante da sobrecarga de pressão ventricular esquerda. Primeiro, um modelo de parâmetros amontoados orientados a objeto foi desenvolvido usando um solucionador numérico. Este modelo é baseado em uma rede derivada de Windkessel em dimensões zero (0D), que depende das propriedades geométricas e mecânicas dos elementos constitutivos e oferece a vantagem de baixos custos computacionais. Em segundo lugar, foi utilizado um pacote de software de análise de elementos finitos (FEA) para a implementação de uma simulação multidimensional. O modelo FEA combina modelos multifísicos tridimensionais (3D) da resposta cardíaca eletromecânica, deformações estruturais e hemodinâmica à base de cavidade fluida e utiliza um modelo simplificado de parâmetros fixos para definir os perfis de troca de fluxo entre diferentes cavidades fluidas. Através de cada abordagem, tanto as alterações hemodinâmicas agudas e crônicas no ventrículo esquerdo quanto na vasculatura proximal resultantes da sobrecarga de pressão foram simuladas com sucesso. Especificamente, a sobrecarga de pressão foi modelada pela redução da área orifício da válvula aórtica, enquanto a remodelagem crônica foi simulada pela redução da conformidade da parede ventricular esquerda. Consistente com a literatura científica e clínica da HFpEF, os resultados de ambos os modelos mostram (i) uma elevação aguda do gradiente de pressão transaréltica entre o ventrículo esquerdo e a aorta e uma redução no volume do AVC e (ii) uma diminuição crônica no volume ventricular esquerdo terminante, indicativo de disfunção diastólica. Finalmente, o modelo FEA demonstra que o estresse no miocárdio HFpEF é notavelmente maior do que no tecido cardíaco saudável durante todo o ciclo cardíaco.

Introdução

A insuficiência cardíaca é uma das principais causas de morte em todo o mundo, que ocorre quando o coração é incapaz de bombear ou preencher adequadamente para acompanhar as demandas metabólicas do corpo. A fração de ejeção, ou seja, a quantidade relativa de sangue armazenada no ventrículo esquerdo que é ejetada a cada contração é usada clinicamente para classificar a insuficiência cardíaca em (i) insuficiência cardíaca com fração de ejeção reduzida (HFrEF) e (ii) insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada (HFpEF), para frações de ejeção inferiores ou superiores a 45%,^{respectivamente 1,2,}

Protocolo

1. Modelo de parâmetro amontoado de 0D

1. Configuração de simulação
   NOTA: No ambiente solucionador numérico (ver a Tabela de Materiais),construa o domínio conforme mostrado na Figura 1. Este é composto pelo coração de 4 câmaras, na parte superior do corpo, no corpo abdominal, na parte inferior do corpo e nos compartimentos torácicos, bem como da vasculatura proximal, incluindo a aorta, a artéria pulmonar e a cavae venae superior e inferior. Os elementos padrão utilizados nesta simulação fazem parte da biblioteca hidráulica padrão. Os detalhes podem ser encontrados nos Arquivos Suplementares.
   ....

Resultados

Os resultados das simulações da linha de base são ilustrados na Figura 3. Isso retrata as formas de onda de pressão e volume do ventrículo esquerdo e da aorta (Figura 3A),bem como o laço fotovoltaico esquerdo(Figura 3B). Os dois modelos de silico apresentam hemodinâmica aórtica e ventricular esquerda semelhante, que estão dentro da faixa fisiológica. Pequenas diferenças na resposta prevista pelas duas plataformas podem ser notadas d.......

Discussão

As plataformas de parâmetros e FEA propostas neste trabalho recapitularam a hemodinâmica cardiovascular em condições fisiológicas, tanto na fase aguda da sobrecarga de pressão induzida por estenose quanto na HFpEF crônica. Ao captar o papel que a sobrecarga de pressão desempenha nas fases agudas e crônicas do desenvolvimento da HFpEF, os resultados desses modelos estão de acordo com a literatura clínica da HFpEF, incluindo o surgimento de um gradiente de pressão transatróptica devido à estenose aórtica, aumento da pressã.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Abaqus Software	Dassault Systè mes Simulia Corp.		Versão utilizada: 2018; Software de simulação de FEA
HETVAL	DASSAULT Systè mes Simulia Corp.		Versão usada: 2018
Biblioteca Hidráulica (Isotérmica)	MathWorks		Versão usada: 2020a
Living Heart Human Model	Dassault Systè mes Simulia Corp.		Versão usada: V2_1, plataforma FEA anatomicamente precisa de coração humano adulto de 4 câmaras
MATLAB	MathWorks		Versão usada: 2020a, solucionador numérico orientado a objetos
SIMSCAPE FLUIDS	MathWorks
UAMP	Dassault Systè mes Simulia Corp.		Versão usada: 2018
VUANISOHYPER	Dassault Systè mes Simulia Corp.		Versão usada: 2018