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

Этот протокол может быть использован для рекапитуляции острой нагрузки давления, а также хронической потери желудочковой комплаенса для исследования влияния сердечной недостаточности с сохраненной фракцией выброса на сердечно-сосудистую гемодинамику. Наша модель Lumped-Parameter очень эффективна в вычислительном отношении, а подход к финансовому количеству объединяет электрическую и структурную область для более точного моделирования сердечно-сосудистой гемодинамики. Существует сильная техническая потребность в эффективных методах лечения EFPEF.

Вычислительные методы, подобные нашему, имеют первостепенное значение в разработке и одобрении регулирующими органами медицинских устройств и терапевтических средств. Чтобы настроить модель с нулевым размером сгруппированным параметром, после построения домена в среде числового решателя, как показано на рисунке, перейдите в библиотеку гидравлики, чтобы найти необходимые элементы и поместить элементы гидравлического трубопровода в рабочее пространство. Вставьте элементы гидравлической камеры постоянного объема, чтобы определить соответствие стенок и сжимаемость жидкости.

И добавьте линейные элементы сопротивления, чтобы определить сопротивление потоку. Моделируйте сократимость каждой камеры сердца с помощью пользовательского переменного элемента камеры соответствия и предоставляйте параметры относительно каждого элемента, как показано в таблице. Затем вставьте элемент последовательности повторения физического сигнала для каждого из блоков, требующих изменяющегося во времени пользовательского входного сигнала, выберите неявный решатель ODE 23 T по умолчанию и запустите моделирование в течение 100 секунд, чтобы достичь устойчивого состояния.

Чтобы настроить модель анализа методом конечных элементов, перейдите в электрическую область и выберите стандартный модуль. Выберите один шаг анализа. Установите продолжительность сердечного цикла на 500 миллисекунд и приложим полюса электрического потенциала к набору узлов, представляющих синоатриальный узел.

Просмотрев форму электрической волны по умолчанию, запустите модуль задания и создайте электрическое задание сердца. После завершения настройки электрического анализа перейдите к механической области на этапе предварительной загрузки. Просмотрите граничные условия предварительно напряженного состояния сердца и выберите 0,3 секунды в качестве времени шага.

В такте одного шага используйте 0,5 секунды в качестве времени шага для имитации сокращения. В одном шаге восстановления выберите 0,5 секунды для сердечной релаксации и наполнения желудочков для частоты сердечных сокращений 60 ударов в минуту. Запустите модуль задания и создайте механическое задание сердца.

Включите параметр двойной точности. Просмотрите упрощенную модель ветрового замка с ламповым параметром и представление модели кровотока, регулируя значения резистивных и емкостных элементов для сопротивления потока и структурных соответствий, соответственно, по мере необходимости. Просмотрите 3D-представление конечных элементов четырех камер сердца и подтвердите, что их геометрические положения точны.

После проверки сердечного узла переключитесь на модуль взаимодействия, чтобы настроить соответствие и значения сократимости каждой из четырех камер сердца. Просмотрите значение жесткости для моделирования объемной реакции давления в артериальной, венериной и легочной циркуляциях и отрегулируйте коэффициент вязкого сопротивления, чтобы изменить модель кровотока в каждом звене обмена продуктами питания. Для мультифизикического моделирования вставьте входные, объектные и библиотечные файлы в рабочий каталог и запустите программное обеспечение для моделирования модели конечных элементов.

Запустите электрическое задание электростимуляции сердца и убедитесь, что результирующий ФАЙЛ ODB находится в рабочем каталоге. Переключитесь на механическую область, чтобы перейти ко второму этапу моделирования. На этапе предварительной загрузки используйте встроенную опцию плавной амплитуды, чтобы увеличить уровень давления с нуля до нужного уровня.

Затем отключите граничные условия давления, чтобы запустить модель кровотока с постоянным общим объемом крови в системе кровообращения и запустить задание моделирования сердечного микрофона. Для имитации стеноза аортального клапана в модели сгруппированных параметров в левом желудочковом отсеке модифицируют входной сигнал относительно аортального клапана и имитируют уменьшение площади отверстия, равное 70% по сравнению с исходным уровнем. Чтобы смоделировать стеноз аортального клапана и модель FEA, измените определение обмена жидкостью параметра артерии левого желудочка и выполните файлы набора инструментов для выполнения обратного механического моделирования.

После завершения обратного механического моделирования выполните функции постобработки, как указано. Затем наблюдайте за рабочим модулем и создавайте задание сердечного меха для запуска нового механического моделирования, как показано Чтобы имитировать жесткость стенки из-за перегрузки давлением в модели с комковатым параметром, модифицируйте диастолическое соответствие левого желудочка элементу соответствия левого желудочка и увеличьте сопротивление утечке насоса левого желудочка до 18 раз 10 до шести паскалей в секунду на метр. Для моделирования эффектов хронического ремоделирования в модели анализа методом конечных элементов редактируют свойства активного материала геометрии левого желудочка и модифицируют реакцию материала левого желудочка в активном файле левого желудочка механического материала.

Для захвата повышенной реакции жесткости на сердечную недостаточность с сохраненной физиологией фракции выброса увеличивают параметры жесткости А и В в анисотропном гиперэластичном составе. На этапе предварительной загрузки установите давление в полости жидкости левого желудочка и левого предсердия до 20 миллиметров ртутного столба и выполните обратное механическое моделирование для получения объемного состояния левого желудочка и предсердия. Затем выполните функции постобработки, как указано, и выполните новое механическое моделирование, как показано на модели.

Две модели in silico показывают сходную гемодинамику аорты и левого желудочка в физиологическом диапазоне. В условиях стеноза аорты формы волн давления и объема демонстрируют 70%-ное уменьшение площади отверстия аортального клапана в обеих моделях. Обе модели также способны улавливать повышение систолического давления в левом желудочке из-за подъема и послегрузки, вызванной стенозом аорты.

При ремоделировании и потере соответствия левого желудочка соотношение объема конечного диастолического давления становится повышенным, что приводит к более высокому диастолическому давлению и более низким диастолическим объемам. Эти явления, которые обусловлены неспособностью левого желудочка расслабляться и чувствовать себя адекватно, успешно фиксируются сердечной недостаточностью с сохранением объемных петель давления фракции выброса как в низкоразмерных, так и в высокоразмерных моделях. Данные о потоке через митральный клапан подчеркивают как раннюю фазу релаксации, так и фазы сокращения предсердий.

По сравнению с нормальным и стенозным профилями, сердечная недостаточность с сохраненным потоком фракции выброса характеризовалась несколько более высоким пиком митрального потока ранней фазы релаксации и значительно уменьшенным пиковым потоком фазы сокращения предсердий. Как показано на этих картах напряжений миокарда, повышенные напряжения могут наблюдаться при сердечной недостаточности с сохраненной фракцией выброса из-за характерной потери желудочковой комплаенс. Чтобы смоделировать хронические эффекты перегрузки давлением и, таким образом, рекапитулировать гемодинамику сердечной недостаточности с сохраненной фракцией выброса, крайне важно соответствующим образом изменить желудочковое соответствие в каждом моделировании.

Столическая жесткость может быть параметрически исследована для имитации различных фенотипов диастолической дисфункции. Это позволит нам более всесторонне охарактеризовать последствия снижения соблюдения на болезни. Мы надеемся, что наша работа проложит путь к созданию моделей, которые могут продвинуть наше текущее понимание сердечной недостаточности с сохраненной фракцией выброса и поддерживают разработку методов лечения этого состояния.