Сгруппированное и конечно-элементное моделирование сердечной недостаточности с сохраненной фракцией выброса

Luca Rosalia; Caglar Ozturk; Ellen T. Roche

doi:10.3791/62167

Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Сгруппированное и конечно-элементное моделирование сердечной недостаточности с сохраненной фракцией выброса

6.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/62167

⸱

13 февраля 2021 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

В данной работе представлены две вычислительные модели сердечной недостаточности с сохраненной фракцией выброса, основанные на подходе с кусковым параметром и конечно-элементном анализе. Эти модели используются для оценки изменений гемодинамики левого желудочка и связанных с ним сосудов, вызванных перегрузкой давления и уменьшением желудочкового соответствия.

Аннотация

Научные усилия в области вычислительного моделирования сердечно-сосудистых заболеваний в основном сосредоточены на сердечной недостаточности с уменьшенной фракцией выброса (HFrEF), в целом игнорируя сердечную недостаточность с сохраненной фракцией выброса (HFpEF), которая в последнее время стала доминирующей формой сердечной недостаточности во всем мире. Мотивированные скудностью HFpEF в кремнийных представлениях, в этой статье представлены две различные вычислительные модели для моделирования гемодинамики HFpEF в результате перегрузки давления левого желудочка. Сначала была разработана объектно-ориентированная модель сгруппированных параметров с использованием численного решателя. Эта модель основана на нульмерной (0D) windkessel-подобной сети, которая зависит от геометрических и механических свойств конститутивных элементов и предлагает преимущество низких вычислительных затрат. Во-вторых, для реализации многомерного моделирования был использован программный пакет для анализа методом конечных элементов (ВЭД). Модель FEA объединяет трехмерные (3D) мультифизические модели электромеханической сердечной реакции, структурных деформаций и гемодинамики на основе жидкостной полости и использует упрощенную модель сгруппированным параметром для определения профилей обмена потоком между различными полостями жидкости. При каждом подходе были успешно смоделированы как острые, так и хронические гемодинамические изменения в левом желудочке и проксимальной сосудистой области в результате перегрузки давлением. В частности, перегрузка давлением была смоделировата путем уменьшения площади отверстия аортального клапана, в то время как хроническое ремоделирование было смоделирован путем уменьшения соответствия стенки левого желудочка. В соответствии с научной и клинической литературой HFpEF, результаты обеих моделей показывают (i) острое повышение градиента трансаортального давления между левым желудочком и аортой и уменьшение ударного объема и (ii) хроническое уменьшение конечного диастолического объема левого желудочка, свидетельствующее о диастолической дисфункции. Наконец, модель FEA демонстрирует, что стресс в миокарде HFpEF значительно выше, чем в здоровой сердечной ткани на протяжении всего сердечного цикла.

Введение

Сердечная недостаточность является основной причиной смерти во всем мире, которая возникает, когда сердце не может перекачивать или наполнять адекватно, чтобы идти в ногу с метаболическими потребностями организма. Фракция выброса, т. е. относительное количество крови, хранящейся в левом желудочке, которое выбрасывается при каждом сокращении, используется клинически для классификации сердечной недостаточности на (i) сердечную недостаточность с уменьшенной фракцией выброса (HFrEF) и (ii) сердечную недостаточность с сохраненной фракцией выброса (HFpEF), для фракций выброса менее или более 45%, соответственно^1,^2,<....