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Engineering

संरक्षित रिजेक्शन अंश के साथ हार्ट फेलियर के लिए लुम्पेड-पैरामीटर और परिमित तत्व मॉडलिंग

Published: February 13, 2021 doi: 10.3791/62167
Automatic Translation
*1,2, *1, 1,2,3
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

Summary

यह काम एक गांठ-पैरामीटर दृष्टिकोण और परिमित तत्व विश्लेषण के आधार पर संरक्षित इंजेक्शन अंश के साथ दिल की विफलता के दो कम्प्यूटेशनल मॉडल का परिचय देता है। इन मॉडलों का उपयोग दबाव अधिभार और कम वेंट्रिकुलर अनुपालन से प्रेरित बाएं वेंट्रिकल और संबंधित वैक्यूलेचर के हीमोडायनामिक्स में परिवर्तनों का मूल्यांकन करने के लिए किया जाता है।

Abstract

हृदय रोगों के कम इंजेक्शन अंश (HFrEF) के साथ दिल की विफलता पर काफी हद तक ध्यान केंद्रित किया है, मोटे तौर पर संरक्षित इंजेक्शन अंश (HFpEF), जो अधिक हाल ही में दुनिया भर में दिल की विफलता का एक प्रमुख रूप बन गया है के साथ दिल की विफलता की अनदेखी के साथ दिल की विफलता पर ध्यान केंद्रित किया है । सिलिको अभ्यावेदन में एचएफपीईएफ की कमी से प्रेरित होकर, इस पेपर में दो अलग-अलग कम्प्यूटेशनल मॉडल प्रस्तुत किए जाते हैं ताकि एचएफपीईएफ के हीमोडायनामिक्स का अनुकरण किया जा सके जिसके परिणामस्वरूप बाएं वेंट्रिकुलर प्रेशर ओवरलोड होते हैं। सबसे पहले, एक ऑब्जेक्ट-ओरिएंटेड लुम्प्ड-पैरामीटर मॉडल को न्यूमेरिकल सॉल्वर का उपयोग करके विकसित किया गया था। यह मॉडल शून्य-आयामी (0D) विंडकेसेल जैसे नेटवर्क पर आधारित है, जो संविलियन तत्वों के ज्यामितीय और यांत्रिक गुणों पर निर्भर करता है और कम कम्प्यूटेशनल लागतों का लाभ प्रदान करता है। दूसरा, एक परिमित तत्व विश्लेषण (FEA) सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग बहुआयामी सिमुलेशन के कार्यान्वयन के लिए किया गया था। एफईए मॉडल इलेक्ट्रो-मैकेनिकल कार्डियक प्रतिक्रिया, संरचनात्मक विकृतियों, और द्रव गुहा आधारित हीमोडायनामिक्स के त्रि-आयामी (3 डी) मल्टीफिजिक्स मॉडल को जोड़ती है और विभिन्न द्रव गुहाओं के बीच प्रवाह विनिमय प्रोफाइल को परिभाषित करने के लिए एक सरलीकृत गांठ-पैरामीटर मॉडल का उपयोग करती है। प्रत्येक दृष्टिकोण के माध्यम से, दबाव अधिभार के परिणामस्वरूप बाएं वेंट्रिकल और समीपस्थ वास्कुलेचर में तीव्र और पुरानी हेमोडायनामिक दोनों परिवर्तनों को सफलतापूर्वक अनुकरण किया गया। विशेष रूप से, दबाव अधिभार को महाधमनी वाल्व के छिद्र क्षेत्र को कम करके मॉडलिंग की गई थी, जबकि बाएं वेंट्रिकुलर दीवार के अनुपालन को कम करके पुरानी रीमॉडलिंग का अनुकरण किया गया था। एचएफपीईएफ के वैज्ञानिक और नैदानिक साहित्य के अनुरूप, दोनों मॉडलों के परिणाम बाएं वेंट्रिकल और महाधमनी के बीच ट्रांसाऑर्टिक दबाव ढाल की तीव्र ऊंचाई और स्ट्रोक की मात्रा में कमी और (ii) अंत-डायस्टोलिक बाएं वेंट्रिकुलर वॉल्यूम में एक पुरानी कमी, डायस्टोलिक डिसफंक्शन का संकेत देते हैं। अंत में, FEA मॉडल दर्शाता है कि HFpEF मायोकार्डियम में तनाव हृदय चक्र भर में स्वस्थ दिल के ऊतकों की तुलना में उल्लेखनीय अधिक है ।

Introduction

दिल की विफलता दुनिया भर में मौत का एक प्रमुख कारण है, जो तब होता है जब दिल पंप या पर्याप्त रूप से भरने के लिए शरीर की चयापचय मांगों के साथ रखने में असमर्थ है । रिजेक्शन अंश, यानी, प्रत्येक संकुचन के साथ बाहर निकाले गए बाएं वेंट्रिकल में संग्रहीत रक्त की सापेक्ष मात्रा का उपयोग हृदय विफलता को कम रिजेक्शन अंश (एचएफआरएफ) और (ii) हृदय विफलता के साथ संरक्षित इंजेक्शन अंश (एचएफपीईएफ) के साथ वर्गीकृत करने के लिए चिकित्सकीय रूप से किया जाता है, इंजेक्शन के अंश 45% से कम या उससे अधिक, क्रमशः1,2,3. एचएफपीईएफ के लक्षण अक्सर बाएं वेंट्रिकुलर प्रेशर अधिभार के जवाब में विकसित होते हैं, जो महाधमनी स्टेनोसिस, उच्च रक्तचाप और बाएं वेंट्रिकुलर आउटफ्लो ट्रैक्ट बाधा3, 4, 5, 6, 7सहित कई स्थितियों के कारण होसकताहै। दबाव अधिभार आणविक और सेलुलर विपथनों का झरना चलाता है, जिससे बाईं वेंट्रिकुलर दीवार (गाढ़ा रीमॉडलिंग) की मोटाई होती है और अंततः, दीवार को कठोर या अनुपालन8,9,10की हानि होती है। ये बायोमैकेनिकल परिवर्तन हृदय हीमोडायनामिक्स को गहराई से प्रभावित करते हैं क्योंकि उनके परिणामस्वरूप एक ऊंचा अंत-डायस्टोलिक दबाव-मात्रा संबंध होता है और अंत-डायस्टोलिक वॉल्यूम11की कमी होती है।

हृदय प्रणाली के कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग ने शरीर विज्ञान और रोग दोनों में रक्तचाप और प्रवाह की समझ को उन्नत किया है और नैदानिक और चिकित्सीय रणनीतियों के विकास को बढ़ावा दिया है12। सिलिको मॉडल में कम या उच्च आयामी मॉडल में वर्गीकृत किया जाता है, जिसमें कम कम्प्यूटेशनल मांग के साथ वैश्विक हेमोडायनामिक गुणों का मूल्यांकन करने के लिए विश्लेषणात्मक तरीकों का उपयोग किया जाता है और बाद में 2 डी या 3 डी डोमेन13में हृदय यांत्रिकी और हेमोडायनामिक्स का अधिक व्यापक बहुस्केल और बहुभौतिकी विवरण प्रदान किया जाता है। कम आयामी विवरणों में गांठ-पैरामीटर विंडकेसेल प्रतिनिधित्व सबसे आम है। विद्युत सर्किट सादृश्य (ओम के कानून) के आधार पर, यह प्रतिरोधी, कैपेसिटिव और प्रेरक तत्वों14के संयोजन के माध्यम से हृदय प्रणाली के समग्र हेमोडायनामिक व्यवहार की नकल करता है। इस समूह द्वारा हाल ही में किए गए एक अध्ययन में हाइड्रोलिक डोमेन में एक वैकल्पिक विंडकेसेल मॉडल का प्रस्ताव किया गया है जो पारंपरिक विद्युत एनालॉग मॉडल की तुलना में अधिक सहज तरीके से बड़े जहाजों-हृदय कक्षों और वाल्वों की ज्यामिति और यांत्रिकी में परिवर्तनों के मॉडलिंग की अनुमति देता है। यह सिमुलेशन ऑब्जेक्ट-ओरिएंटेड न्यूमेरिकल सॉल्वर (सामग्री की मेजदेखें) पर विकसित किया गया है और सामान्य हेमोडायनामिक्स, कार्डियोरेस्पिरेटरी कपलिंग के फिजियोलॉजिकल प्रभाव, एकल-हृदय शरीर विज्ञान में श्वसन चालित रक्त प्रवाह और सिद्धांतीय संकुचन के कारण हीमोडायनामिक परिवर्तनों को कैप्चर कर सकता है। यह विवरण दिल की विफलता सहित रोगजनक स्थितियों के स्पेक्ट्रम को मॉडल करने के लिए शारीरिक रूप से सहज दृष्टिकोण प्रदान करके लुम्प-पैरामीटर मॉडल की क्षमताओं परफैलताहै।

उच्च आयामी मॉडल ईईए पर आधारित हैं ताकि स्थानिक टेम्परल हीमोडायनामिक्स और द्रव-संरचना बातचीत की गणना की जा सके। ये अभ्यावेदन स्थानीय रक्त प्रवाह क्षेत्र का विस्तृत और सटीक विवरण प्रदान कर सकते हैं; हालांकि, उनके कम कम कंप्यूटेशनल दक्षता के कारण, वे पूरे हृदय ट्री16,17के अध्ययन के लिए उपयुक्त नहीं हैं । एक सॉफ्टवेयर पैकेज (सामग्री की तालिकादेखें) को 4-कक्ष वयस्क मानव हृदय के शारीरिक रूप से सटीक एफईए मंच के रूप में नियोजित किया गया था, जो इलेक्ट्रो-मैकेनिकल प्रतिक्रिया, संरचनात्मक विकृतियों और द्रव गुहा-आधारित हीमोडायनामिक्स को एकीकृत करता है। अनुकूलित मानव हृदय मॉडल में एक सरल गांठ-पैरामीटर मॉडल भी शामिल है जो विभिन्न द्रव गुहाओं के बीच प्रवाह विनिमय को परिभाषित करता है, साथ ही कार्डियक ऊतक18,19का एक पूर्ण यांत्रिक लक्षण वर्णन करता है।

हृदयगतिंतीय असामान्यताओं को पकड़ने और चिकित्सीय रणनीतियों का मूल्यांकन करने के लिए हृदय विफलता के कई जटिल पैरामीटर और एफईए मॉडल तैयार किए गए हैं, विशेष रूप से एचएफआरएफ20, 21,22, 23,24के लिए यांत्रिक संचार सहायता उपकरणों के संदर्भ में। इसलिए विभिन्न जटिलताओं के 0डी-पैरामीटर मॉडल की एक विस्तृत सरणी ने दो या तीन तत्व विद्युत एनालॉग विंडकसेलसिस्टम20, 21, 23, 24के अनुकूलन के माध्यम से शारीरिक और एचएफईएफ स्थितियों में मानव हृदय के हीमोडायनामिक्स को सफलतापूर्वक कैप्चर किया है। इनमें से अधिकांश अभ्यावेदन यूनी-या बिवेंट्रिकुलर मॉडल हैं जो दिल की अनुबंधित कार्रवाई को पुन: उत्पन्न करने के लिए अलग-अलग समय के आधारपर हैं और25, 26,27को भरने का वर्णन करने के लिए गैर-रैखिक अंत-डायस्टोलिक दबाव-मात्रा संबंध का उपयोग करते हैं। व्यापक मॉडल, जो जटिल हृदय नेटवर्क पर कब्जा और दोनों अलिंद और वेंट्रिकुलर पंपिंग कार्रवाई की नकल, डिवाइस परीक्षण के लिए प्लेटफार्मों के रूप में इस्तेमाल किया गया है । फिर भी, यद्यपि एचएफईएफ के क्षेत्र में साहित्य का एक महत्वपूर्ण निकाय मौजूद है, फिर भी एचएफपीईएफ के सिलिको मॉडल में बहुत कम20, 22,28,29,30, 31प्रस्तावित किए गए हैं।

हाल ही में बर्कहॉफ एट अल द्वारा विकसित एचएफपीईएफ हीमोडायनामिक्स का एक कम आयामी मॉडल,32 और ग्रैनेगर एट अल28द्वारा विकसित किया गया, 4-चैंबर दिल के दबाव-मात्रा (पीवी) छोरों पर कब्जा कर सकता है, जो एचएफपीईएफ के विभिन्न फेनोटाइप के हेमोडायनामिक्स को पूरी तरह से पुनः रीकैपिटल कर सकता है। इसके अलावा, वे एचएफपीईएफ के लिए एक यांत्रिक संचार उपकरण की व्यवहार्यता का मूल्यांकन करने के लिए सिलिको प्लेटफॉर्म में अपने उपयोग करते हैं, शरीर विज्ञान अध्ययन के साथ-साथ डिवाइस विकास के लिए एचएफपीईएफ के अग्रणी कम्प्यूटेशनल अनुसंधान। हालांकि, ये मॉडल रोग प्रगति के दौरान देखे गए रक्त प्रवाह और दबावों में गतिशील परिवर्तनों को पकड़ने में असमर्थ रहते हैं। काड्री एट अल द्वारा हाल ही में किए गए एक अध्ययनमें 30 ने कम आयामी मॉडल पर मायोकार्डियम की सक्रिय छूट और बाएं वेंट्रिकल की निष्क्रिय कठोरता को समायोजित करके डायस्टोलिक डिसफंक्शन के विभिन्न फेनोटाइप को कैप्चर किया है। उनका काम मायोकार्डियम के सक्रिय और निष्क्रिय दोनों गुणों के आधार पर डायस्टोलिक डिसफंक्शन का एक व्यापक हीमोडायनामिक विश्लेषण प्रदान करता है। इसी प्रकार, उच्च आयामी मॉडलों का साहित्य मुख्य रूप से एचएफईएफ19,33, 34,35,36,37पर केंद्रित है। बाकिर एट अल33 ने एचएफएफ हीमोडायनामिक प्रोफाइल और लेफ्ट-वेंट्रिकुलर असिस्ट डिवाइस (एलवीएडी) की प्रभावकारिता की भविष्यवाणी करने के लिए पूरी तरह से युग्मित कार्डियक फ्लूइड-इलेक्ट्रोमैकेनिक्स एफईए मॉडल का प्रस्ताव किया। इस द्विवेंट्रिकुलर (या दो-कक्ष) मॉडल ने स्वस्थ दिल, एचएफआरएफ और एचएफएफ के हीमोडायनामिक्स को एलवीएडी समर्थन33,37के साथ अनुकरण करने के लिए एक युग्मित विंडकेसेल सर्किट का उपयोग किया।

इसी तरह, बोरी एट अल35 ने सही वेंट्रिकुलर डिसफंक्शन की जांच करने के लिए एक द्विवेंट्रिकुलर मॉडल विकसित किया। उनकी द्विवेंट्रिकुलर ज्यामिति एक रोगी के चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) डेटा से प्राप्त की गई थी, और मॉडल के परिमित-तत्व जाल का निर्माण छवि विभाजन का उपयोग करके एक वीएडी समर्थित असफल सही वेंट्रिकल35के हीमोडायनामिक्स का विश्लेषण करने के लिए किया गया था। दिल के विद्युत व्यवहार के मॉडलों की सटीकता को बढ़ाने के लिए चार-कक्ष एफईए कार्डियक दृष्टिकोण विकसित किए गए हैं19,34। द्विवेंट्रिकुलर विवरणों के विपरीत, मानव हृदय के एमआरआई-व्युत्पन्न चार-कक्ष मॉडल हृदय शरीर रचना विज्ञान18का बेहतर प्रतिनिधित्व प्रदान करते हैं। इस काम में नियोजित हार्ट मॉडल चार चैंबर एफईए मॉडल का एक स्थापित उदाहरण है । गांठ-पैरामीटर और द्विवेंट्रिकुलर एफईए मॉडल के विपरीत, यह प्रतिनिधित्व रोग प्रगति34, 37के दौरान होने वाले हेमोडायनामिक परिवर्तनों को कैप्चर करता है। उदाहरण के लिए, जेनेट एट अल34ने एचएफईएफ और एचएफपीईएफ में मनाए गए रीमॉडलिंग के संख्यात्मक विकास मॉडल को लागू करने के लिए एक ही मंच का उपयोग किया। हालांकि, ये मॉडल केवल संरचनात्मक यांत्रिकी पर कार्डियक हाइपरट्रॉफी के प्रभावों का मूल्यांकन करते हैं और संबंधित हीमोडायनामिक्स का व्यापक विवरण प्रदान नहीं करते हैं।

इस काम में सिलिको मॉडल में एचएफपीईएफ की कमी को दूर करने के लिए, इस समूह द्वारा पहले विकसित किए गए पैरामीटर मॉडलऔर एचएफपीईएफ के हीमोडायनामिक प्रोफाइल को अनुकरण करने के लिए एफईए मॉडल को फिर से तैयार किया गया था। इस उद्देश्य के लिए, बेसलाइन पर हृदय हीमोडायनामिक्स का अनुकरण करने के लिए प्रत्येक मॉडल की क्षमता पहले प्रदर्शित की जाएगी। स्टेनोसिस-प्रेरित लेफ्ट वेंट्रिकुलर प्रेशर ओवरलोड और कार्डियक रिमॉडलिंग के कारण कम लेफ्ट वेंट्रिकुलर अनुपालन के प्रभाव-एचएफपीईएफ की एक विशिष्ट पहचान-फिर मूल्यांकन किया जाएगा।

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Protocol

1. 0D गांठ-पैरामीटर मॉडल

  1. सिमुलेशन सेटअप
    नोट: संख्यात्मक सॉल्वर वातावरण में (सामग्री की तालिकादेखें), डोमेन का निर्माण करें जैसा कि चित्र 1में दिखाया गया है। यह 4-कक्ष हृदय, ऊपरी शरीर, पेट, निचले शरीर और छाती के डिब्बों के साथ-साथ महाधमनी, फेफड़े की धमनी, और बेहतर और अवर वेने कैवे सहित समीपस्थ वास्कुलेचर से बना है। इस सिमुलेशन में उपयोग किए जाने वाले मानक तत्व डिफ़ॉल्ट हाइड्रोलिक लाइब्रेरी का हिस्सा हैं। विवरण पूरक फ़ाइलों में पाया जा सकता है।
    1. हाइड्रोलिक पाइपलाइन, निरंतर मात्रा हाइड्रोलिक चैंबर, रैखिक प्रतिरोध, अपकेंद्रित्र पंप, चेक वाल्व, चर क्षेत्र छिद्र, और कस्टम हाइड्रोलिक तरल पदार्थ: आवश्यक तत्वों को खोजने के लिए हाइड्रोलिक्स पुस्तकालय नेविगेट करें।
      1. हाइड्रोलिक पाइपलाइन तत्वों को कार्यक्षेत्र में छोड़ दें।
        नोट: ये घर्षण नुकसान के साथ-साथ रक्त वाहिकाओं और हृदय कक्षों में दीवार अनुपालन और तरल पदार्थ संपीड़न के लिए खाते हैं। इस ब्लॉक के माध्यम से, डार्सी-Weisbach कानून का उपयोग करके दबाव हानि की गणना की जाती है, जबकि दीवार अनुपालन के कारण व्यास में परिवर्तन अनुपालन समानता स्थिर, चमकदार दबाव और निरंतर समय पर निर्भर करता है। अंत में, तरल पदार्थ संपीड़न माध्यम के थोक मॉड्यूलस द्वारा परिभाषित किया गया है।
      2. दीवार अनुपालन और तरल पदार्थ संपीड़न को परिभाषित करने के लिए निरंतर मात्रा हाइड्रोलिक कक्ष तत्वों डालें।
        नोट: यह ब्लॉक घर्षण के कारण दबाव के नुकसान को ध्यान में नहीं रखता है।
      3. प्रवाह के प्रतिरोध को परिभाषित करने के लिए रैखिक प्रतिरोध तत्वों को जोड़ें।
        नोट: यह वैक्यूलेचर के ज्यामितीय गुणों से स्वतंत्र है, जो विद्युत एनालॉग विंडकेसेल मॉडल में उपयोग किए जाने वाले प्रतिरोधी तत्व के अनुरूप है। अन्य ब्लॉक, जैसे सेंट्रलाइज्ड पंप, चेक वाल्व, वेरिएबल-एरिया छिद्र, और कस्टम हाइड्रोलिक द्रव तत्वों को सिस्टम में वांछित दबाव इनपुट उत्पन्न करने, रक्त प्रवाह पर हृदय वाल्व के प्रभावों को मॉडल करने और रक्त के यांत्रिक गुणों को परिभाषित करने के लिए डाला जाना चाहिए। इन तत्वों के माध्यम से, शरीर विज्ञान और रोग दोनों में हृदय प्रणाली के व्यवहार को पूरी तरह से कैप्चर किया जा सकता है। सेंट्रलाइज्ड पंप के लिए इनपुट सिग्नल फिगर S1Aमें पाया जा सकता है ।
      4. कस्टम चर-अनुपालन अनुपालन कक्ष तत्व के माध्यम से प्रत्येक हृदय कक्ष की संकुचनता को मॉडल करें।
        नोट: यह अनुपालन को एक समय-अलग उपयोगकर्ता-परिभाषित इनपुट सिग्नल के रूप में स्वीकार करता है और समय-अलग इलास्टेंस मॉडल(चित्रा S1B-D)पर आधारित है।
    2. प्रत्येक तत्व के सापेक्ष पैरामीटर प्रदान करें, जैसा कि टेबल एस 1में दिखाया गया है, रोसालिया एट अल में भी पायाजाता है।
    3. प्रत्येक ब्लॉक के लिए एक भौतिक सिग्नल (पीएस) दोहराने वाला अनुक्रम तत्व डालें जिसके लिए समय-अलग उपयोगकर्ता-परिभाषित इनपुट सिग्नल की आवश्यकता होती है: एलवी पंप, चर-अनुपालन अनुपालन तत्व, और चर-क्षेत्र छिद्र ब्लॉक।
      नोट: इस सिमुलेशन के लिए उपयोग किए गए इनपुट सिग्नल चित्रा S1 में पाए जा सकते हैं।
    4. डिफ़ॉल्ट ओड 23t अंतर्निहित सॉल्वर का चयन करें और एक स्थिर स्थिति तक पहुंचने के लिए 100 एस के लिए सिमुलेशन चलाएं।

2. एफईए मॉडल

  1. सिमुलेशन सेटअप
    नोट: FEA मॉडल अनुक्रम में एक युग्मित विद्युत यांत्रिक विश्लेषण का उपयोग करता है । इस मॉडल में, विद्युत विश्लेषण पहले आयोजित किया जाता है; फिर परिणामस्वरूप बिजली की क्षमता का उपयोग निम्नलिखित यांत्रिक विश्लेषण में उत्तेजन स्रोत के रूप में किया जाता है। इसलिए, सिमुलेशन सेटअप में दो कार्य डोमेन होते हैं: इलेक्ट्रिकल(ईएलईसी)और मैकेनिकल(मेच)डोमेन, जो एफईए सिमुलेशन सॉफ्टवेयर(सामग्री की तालिका)18में पूर्वनिर्धारित हैं। इसलिए, निम्नलिखित अनुभाग केवल विश्लेषण कार्यप्रवाह का वर्णन करता है। एफईए मॉडल इलेक्ट्रिकल और मैकेनिकल मैटेरियल मॉडलिंग18के लिए निम्नलिखित यूजर सब्रूटीन हेटवल, VUANISOHYPERऔर यूएएमपी का उपयोग करता है।
    1. मानक मॉड्यूल में पूर्वनिर्धारित तापमान प्रक्रिया का उपयोग करके विद्युत विश्लेषण करने के लिए ईएलईसी डोमेन को नेविगेट करें।
      1. बीटनाम के एकल विश्लेषण चरण का उपयोग करें । कार्डियक चक्र की अवधि 500 एमएस तक निर्धारित करें और सिनओट्रायल (एसए) नोड(नोड सेट: R_Atrium-1.SA_NODE)का प्रतिनिधित्व करने वाले नोड सेट पर विद्युत क्षमता नाड़ी लागू करें।
      2. डिफ़ॉल्ट विद्युत तरंग की समीक्षा करें, जो मॉडल गाइड18में वर्णित चिकनी कदम आयाम परिभाषा के साथ 200 एमएस से अधिक -80 एमवी से 20 एमवी तक है। एवी देरी को समायोजित करने के लिए विद्युत विश्लेषण में सामग्री स्थिरांक के डिफ़ॉल्ट मूल्यों का उपयोग करें।
      3. जॉब मॉड्यूल लॉन्च करें, और हार्ट-एलेकनाम की नौकरी बनाएं।
    2. एक बार विद्युत विश्लेषण सेटअप पूरा हो जाने के बाद, द्रव गुहा-आधारित यांत्रिक विश्लेषण करने के लिए मेच डोमेन को नेविगेट करें।
      नोट: यांत्रिक सिमुलेशन विद्युत विश्लेषण के बाद किया जाता है, और परिणामस्वरूप बिजली की क्षमता यांत्रिक विश्लेषण के लिए उत्तेजन स्रोत के रूप में उपयोग की जाती है। यांत्रिक विश्लेषण में कई चरण होते हैं।
      1. प्री-लोड, बीट1 और रिकवरी1नाम के तीन मुख्य चरणों का उपयोग करें। प्री-लोड चरण में, हृदय की पूर्व-तनावग्रस्त स्थिति की सीमा शर्तों की समीक्षा करें। तरल कक्षों में दबाव को रैम्प करने के लिए कदम समय के रूप में 0.3 एस का उपयोग करें।
        नोट: पूर्वनिर्धारित द्रव गुहा दबाव मूल्यों को तालिका S3में दिखाया गया है । दिल की पूर्व-तनावग्रस्त स्थिति को पहले से ही सामान्य हृदय सिमुलेशन सेटअप में परिभाषित किया गया था, और प्रारंभिक नोड की स्थिति बाहरी सिमुलेशन फ़ाइलों में प्रदान की जाती है, जैसा कि टेबल S5में सूचीबद्ध है। जब भी सीमा स्थिति को संशोधित किया जाता है, तो विपरीत यांत्रिक सिमुलेशन का उपयोग करके शून्य-तनाव राज्य की पुनर्गणना की आवश्यकता होती है, जैसा कि चरण 3.2.2-3.2.4 में समझाया गया है।
      2. BEAT1 चरण में, संकुचन का अनुकरण करने के लिए कदम समय के रूप में 0.5 एस का उपयोग करें।
      3. RECOVERY1 चरण में, 60 बीपीएम की हृदय गति के लिए हृदय विश्राम और वेंट्रिकुलर भरने के लिए 0.5 एस का चयन करें।
      4. एक स्थिर स्थिति तक पहुंचने के लिए एक से अधिक हृदय चक्र का अनुकरण करने के लिए बाद के चरणों, बीएक्सएक्स और रिकवरीएक्सको सक्षम करें।
        नोट: तीन हृदय चक्र स्थिर राज्य तक पहुंचने के लिए पर्याप्त होंगे। सिमुलेशन का एक चक्र 24-कोर प्रोसेसर (3.2 गीगाहर्ट्ज x 24) पर ~ 8 एच में पूरा हो गया है।
      5. जॉब मॉड्यूल लॉन्च करें, और डबल सटीक विकल्प को सक्षम करने के लिए हार्ट-मेचनाम की नौकरी बनाएं।
  2. सरलीकृत गांठ-पैरामीटर विंडकेसेल मॉडल की समीक्षा करें
    नोट: एफईए मॉडल के यांत्रिक डोमेन में एक रक्त प्रवाह मॉडल है, जो एक सरलीकृत लुम्प-पैरामीटर सर्किट पर आधारित है और सतह आधारित तरल गुहाओं और तरल पदार्थ एक्सचेंजों के संयोजन के रूप में बनाया गया है जैसा कि चित्र 218में देखा गया है।
    1. सिमुलेशन चलाने के लिए उपरोक्त नोट में उल्लिखित विंडकेसेल प्रतिनिधित्व का उपयोग करें। प्रवाह प्रतिरोध और संरचनात्मक अनुपालन के लिए प्रतिरोधी और कैपेसिटिव तत्वों के मूल्यों को समायोजित करने के लिए रक्त प्रवाह मॉडल प्रतिनिधित्व की समीक्षा करें।
    2. चार हृदय कक्षों के 3 डी परिमित तत्व प्रतिनिधित्व की समीक्षा करें, और सुनिश्चित करें कि उनकी ज्यामितीय स्थिति सटीक हैं।
    3. दिल की असेंबली की जांच करें, और चार हृदय कक्षों में से प्रत्येक के अनुपालन और संकुचन मूल्यों को समायोजित करने के लिए इंटरैक्शन मॉड्यूल पर स्विच करें।
      नोट: इंटरैक्शन मॉड्यूल में डिफ़ॉल्ट मानों को एक आदर्श स्वस्थ मानव हृदय धड़कन चक्र18का अनुकरण करने के लिए कॉन्फ़िगर किया जाता है।
    4. इंटरैक्शन मॉड्यूल, सीएवी-एऑर्टा, सीएवी-ला, सीएवी-एलवी, सीएवी-PULMONARY_TRUNK, सीएवी-आरए, सीएवी-आरवी, सीएवी-एसवीसी, सीएवी-धमनी-कॉम्प, सीएवी-पल्मोनरी-कॉम्प, और सीएवी-वेनस-कॉम्प(टेबल एस3)में निम्नलिखित हाइड्रोस्टैटिक द्रव गुहाओं की समीक्षा करें।
    5. अनुपालन कक्षों (सीएवी-धमनी-COMP, CAV-फेफड़े-COMP, और CAV-VENOUS-COMP) का उपयोग घन मात्रा के रूप में करें क्योंकि वे धमनी, शिष्ट और फेफड़े के परिसंचरण के अनुपालन का प्रतिनिधित्व करते हैं।
    6. एक ग्राउंडेड स्प्रिंग में तीन अनुपालन घन मात्रा संलग्न करें, और धमनी, शिरीकार और फेफड़े के परिसंचरण में दबाव-मात्रा प्रतिक्रिया को मॉडल करने के लिए कठोरता मूल्य की समीक्षा करें।
    7. हाइड्रोस्टैटिक द्रव गुहाओं के बीच निम्नलिखित द्रव विनिमय परिभाषाओं की जांच करें: धमनी-शिंता, शिरीन-सही एट्रियम, दाएं एट्रियम-राइट वेंट्रिकल, राइट वेंट्रिकल-पल्मोनरी सिस्टम, पल्मोनरी सिस्टम-लेफ्ट एट्रियम, लेफ्ट एट्रियम-लेफ्ट वेंट्रिकल, और लेफ्ट वेंट्रिकल-ऑर्टा(टेबल S4)।
    8. प्रत्येक द्रव विनिमय लिंक में रक्त प्रवाह मॉडल को संशोधित करने के लिए चिपचिपा प्रतिरोध गुणांक को समायोजित करें (चिपचिपा प्रतिरोध प्रभाव के बारे में अधिक जानकारी के लिए पूरक फाइलें देखें)।
  3. मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन
    1. कार्य निर्देशिका में सीएई डेटाबेस फ़ाइल का पता लगाएं।
      नोट: इस प्रोटोकॉल में FEA मॉडल डेटाबेस में दिया जाता है और LH-मानव मॉडल-बीटा-V2_1.caeके रूप में नामित किया गया है ।
    2. सिमुलेशन चलाने के लिए कार्य निर्देशिका में इनपुट, ऑब्जेक्ट और लाइब्रेरी फ़ाइलें डालें। इनपुट और लाइब्रेरी फाइलों की पूरी सूची के लिए टेबल S5 देखें।
    3. एफईए मॉडल सिमुलेशन सॉफ्टवेयर लॉन्च करें (सामग्री की तालिकादेखें)।
      नोट: बाद के संस्करणों के साथ अनुकूलता के लिए सॉफ्टवेयर प्रदाता से परामर्श18।
    4. धारा 2.2 और 2.3 में वर्णित ईएलईसी और मेच डोमेन दोनों में भागों, असेंबली और सीमा स्थितियों की समीक्षा करें।
    5. सबसे पहले, धारा 2.1.1.3 में वर्णित हार्ट-एलेकनाम की विद्युत सिमुलेशन नौकरी चलाएं। नेत्रहीन विद्युत संभावित परिणामों का निरीक्षण करने के लिए सत्यापित करें कि दिल-elec सिमुलेशन के रूप में उंमीद के रूप में भाग गया । फिर, सुनिश्चित करें कि परिणाम फ़ाइल heart-elec.odb कार्य निर्देशिका में है।
    6. मेच डोमेन पर स्विच करके दूसरे सिमुलेशन चरण में जाएं। वांछित निष्क्रिय और सक्रिय हृदय प्रतिक्रिया को मॉडल करने के लिए यांत्रिक सिमुलेशन में उपयोग किए जाने वाले सामग्री स्थिरांक के मूल्यों की समीक्षा करें।
    7. सुनिश्चित करें कि यांत्रिक विश्लेषण के लिए सामग्री पुस्तकालय फ़ाइलें हाइब्रिड-स्ट्रिंग नाम का उपयोग करें। हृदय कक्षों की सामग्री प्रतिक्रिया को संशोधित करने के लिए, उचित हाइब्रिड सामग्री फ़ाइल को समायोजित करें, या सीएई मॉड्यूल में सामग्री अनुभाग में एक नई सामग्री व्यवहार को परिभाषित करके पूरी सामग्री प्रतिक्रिया को प्रतिस्थापित करें।
      नोट: अंतर्निहित संविलियन कानूनों के बारे में विस्तृत जानकारी उपयोगकर्ता गाइड18में पाया जा सकता है ।
    8. पूर्व-लोड चरण में, वांछित शारीरिक व्यवहार प्राप्त करने के लिए हाइड्रोस्टैटिक गुहाओं के दबाव निर्धारित करें। चरण 2.1.2.1 में वर्णित शून्य से वांछित दबाव स्तर तक रैंप करने के लिए अंतर्निहित चिकनी आयाम विकल्प का उपयोग करें।
    9. परिसंचरण प्रणाली के भीतर एक निरंतर समग्र रक्त की मात्रा के साथ रक्त प्रवाह मॉडल चलाने के लिए 2.1.2.1 में परिभाषित दबाव सीमा स्थितियों को अक्षम करें। धारा 2.1.2.5 में वर्णित हार्ट-मेचनाम की सिमुलेशन नौकरी चलाएं।

3. महाधमनी वाल्व स्टेनोसिस

नोट: महाधमनी स्टेनोसिस अक्सर एचएफपीईएफ का चालक होता है क्योंकि यह दबाव अधिभार की ओर जाता है और अंततः, बाएं वेंट्रिकुलर दीवार के पुनर्मॉडलिंग और अनुपालन हानि को गाढ़ा करने के लिए। महाधमनी स्टेनोसिस में मनाए जाने वाले हीमोडायनामिक्स अक्सर एचएफपीईएफ में देखे गए लोगों के लिए प्रगति करते हैं।

  1. गांठ-पैरामीटर मॉडल
    1. बाएं वेंट्रिकुलर डिब्बे में स्थित महाधमनी वाल्व के सापेक्ष पीएस दोहरा अनुक्रम तत्व में इनपुट सिग्नल को संशोधित करें। बेसलाइन(टेबल S6)की तुलना में 70% के बराबर छिद्र क्षेत्र की कमी का अनुकरण करें।
      नोट: इनपुट मान प्रत्येक दिल की धड़कन के दौरान स्टेनोटिक वाल्व के छिद्र क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करेंगे। छिद्र क्षेत्र मूल्य को आसानी से महाधमनी वाल्व पीएस तत्व के स्टार्ट आउटपुट मूल्यों को अपने मूल मूल्य के संबंध में अंतिम छिद्र क्षेत्र के अनुरूप दशमलव मूल्य द्वारा गुणा करके समायोजित किया जा सकता है। इस कार्य में 70 प्रतिशत संकीर्तन प्राप्त करने के लिए 03 के कारक का उपयोग किया गया था।
  2. एफईए मॉडल
    1. लिंक-एलवी-धमनी पैरामीटर की द्रव विनिमय परिभाषा को संशोधित करें।
      नोट: इस पैरामीटर में बाएं वेंट्रिकल और महाधमनी के बीच रक्त प्रवाह को देखते हुए एक चिपचिपा प्रतिरोध गुणांक है। प्रभावी विनिमय क्षेत्र को रक्त प्रवाह को समायोजित करने और उपयुक्त महाधमनी स्टेनोसिस मॉडल(टेबल S7)बनाने के लिए संशोधित किया जा सकता है।
    2. टूलबॉक्स फ़ोल्डर का पता लगाएं और उस फ़ोल्डर के अंदर की फ़ाइलों को मुख्य कार्य निर्देशिका में कॉपी करें।
    3. टूलबॉक्स फाइल्स18को निष्पादित करके एक विलोम यांत्रिक सिमुलेशन करें। इस उद्देश्य के लिए, बाएं वेंट्रिकल के सक्शन दबाव को बदलें और महाधमनी स्टेनोसिस मॉडल के लिए अपनी प्रारंभिक वॉल्यूमेट्रिक स्थिति को समायोजित करने के लिए तरल गुहा में एट्रियम को 6 एमएमएचजी में छोड़ दिया। inversePreliminary.py कार्य को अंजाम।
      नोट: जब भी सीमा स्थिति को संशोधित किया जाता है तो विलोम यांत्रिक सिमुलेशन का उपयोग करके शून्य-तनाव राज्य की पुनर्गणना की आवश्यकता होती है।
    4. एक बार व्युत्क्रम यांत्रिक सिमुलेशन पूरा हो जाने के बाद, प्रसंस्करण के बाद के कार्यों को चलाएं: calcNodeCoords.py और straight_mv_chordae.py। अन्य प्रवाह मापदंडों के लिए डिफ़ॉल्ट मानों का उपयोग करें, और धारा 2.1.2.5 में वर्णित एक नया यांत्रिक सिमुलेशन चलाएं।

4. एचएफपीईएफ हीमोडायनामिक्स

नोट: क्रोनिक रीमॉडलिंग के प्रभावों का अनुकरण करने के लिए, बाएं दिल के यांत्रिक गुणों को संशोधित किया गया था।

  1. गांठ-पैरामीटर मॉडल
    1. टेबल एस 8में एंड-डायस्टोलिक अनुपालन के मूल्य का उपयोग करके दबाव-अधिभार के कारण दीवार को कठोर करने की नकल करने के लिए एलवी अनुपालन तत्व के बाएं वेंट्रिकुलर डायस्टोलिक अनुपालन को संशोधित करें।
      नोट: अंत-सिस्टोल से अंत-डायस्टोल तक रैखिक ड्रॉप करने के लिए अनुपालन मान लें।
    2. एचएफपीईएफ में देखे गए ऊंचा बाएं वेंट्रिकुलर दबावों पर कब्जा करने के लिए एलवी पंप के रिसाव प्रतिरोध को 18 × 106 पीए एसएम-3 (टेबल एस 8)तक बढ़ाएं।
  2. एफईए मॉडल
    1. बाएं वेंट्रिकल ज्यामिति के सक्रिय सामग्री गुणों को संपादित करें। संविलियन मॉडल में फाइबर और शीट दिशाओं में तनाव घटकों को प्रभावित करने वाली सक्रिय ऊतक प्रतिक्रिया को ट्यून करने के लिए कठोरता घटक बढ़ाएं।
      1. मेच-मैट-LV_ACTIVE फ़ाइल में बाएं वेंट्रिकल की सामग्री प्रतिक्रिया को संशोधित करें।
        नोट: बाएं वेंट्रिकुलर कक्ष के लिए कठोरता की भयावहता को उपयुक्त डायस्टोलिक अनुपालन प्रभाव प्रदान करने के लिए ट्यून किया जा सकता है।
      2. एचएफपीईएफ फिजियोलॉजी के लिए बढ़ी हुई कठोरता प्रतिक्रिया को पकड़ने के लिए एनिसोट्रोपिक हाइपरएलेस्टिक फॉर्मूलेशन में कठोरता मापदंडों को बढ़ाएं।
      3. प्री-लोड चरण में, बाएं वेंट्रिकल के तरल गुहा दबाव सेट करें और एट्रियम को 20 एमएमएचजी तक छोड़ दिया।
      4. बाएं वेंट्रिकल और एट्रियम की वॉल्यूमेट्रिक स्थिति प्राप्त करने के लिए एक विलोम यांत्रिक सिमुलेशन करें। नोडल निर्यात दिल-mech-inverse.odb फ़ाइल18से निर्देशांक ।
      5. प्रसंस्करण के बाद के कार्यों को निष्पादित करें: calcNodeCoords.py और straight_mv_chordae.py,जैसा कि चरण 3.2.4 में वर्णित है। कार्य निर्देशिका में नई नोडल इनपुट फाइलों का पता लगाएं और धारा 2.1.2.5 में वर्णित एक नया यांत्रिक सिमुलेशन करें।

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Representative Results

बेसलाइन सिमुलेशन के परिणाम चित्र 3में दर्शाए गए हैं । इसमें बाएं वेंट्रिकल और महाधमनी(चित्रा 3 ए)के साथ-साथ लेफ्ट वेंट्रिकुलर पीवी लूप(चित्रा 3बी)के दबाव और वॉल्यूम तरंगों को दर्शाया गया है। सिलिको मॉडल में दो समान महाधमनी और बाएं वेंट्रिकुलर हेमोडायनामिक्स दिखाते हैं, जो फिजियोलॉजिकल रेंज के भीतर हैं। दो प्लेटफार्मों द्वारा भविष्यवाणी की प्रतिक्रिया में मामूली अंतर वेंट्रिकुलर खाली करने और भरने के चरणों के दौरान देखा जा सकता है, जहां गैर-रैखिकों को बेहतर तरह से ओईए मॉडल द्वारा लेम्प-पैरामीटर प्लेटफॉर्म की तुलना में कैप्चर किया जाता है। शरीर विज्ञान में, इस तरह के गैर-रैखिक प्रभाव मुख्य रूप से हृदय ऊतक की हाइपरएलस्टिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप उत्पन्न होते हैं और इसलिए मल्टीडोमेन और उच्च-क्रम के कम्प्यूटेशनल मॉडल18द्वारा अधिक सटीक रूप से पुन: उत्पन्न होते हैं।

महाधमनी स्टेनोसिस के लिए वेंट्रिकुलर और महाधमनी हीमोडायनामिक्स प्राप्त किए गए थे, क्योंकि यह अक्सर बाएं वेंट्रिकुलर दबाव अधिभार की ओर जाता है और अंततः, एचएफपीईएफ के विकास के लिए। अंक 4में दोनों मॉडलों के लिए महाधमनी वाल्व छिद्र क्षेत्र में 70% की कमी पर दबाव और मात्रा तरंग दिखाई जाती है। स्टेनोसिस के परिणामस्वरूप महाधमनी वाल्व में एक ऊंचा दबाव ढाल हुआ। इस कार्य में विचार किए गए 70% स्टेनोसिस के लिए, 41 एमएमएचजी और 54 एमएमएचजी के पीक ट्रांसाऑर्टिक प्रेशर ग्रेडिएंट क्रमशः ढरे-पैरामीटर(चित्रा 4A)और एफईए(चित्रा 4B)मॉडल के साथ प्राप्त किए गए थे। यह मध्यम भिन्नता की संभावना एक संविलियन समीकरण की कमी के एक और परिणाम के रूप में उत्पन्न होती है जो कार्डियक ऊतक के भौतिक गुणों को गांठ-पैरामीटर मॉडल में परिभाषित करता है, जिसमें अनुपालन को केवल संख्यात्मक मूल्यों की एक सरणी द्वारा परिभाषित किया जाता है। इसलिए यह मॉडल तरल पदार्थ-संरचना इंटरैक्शन को कैप्चर नहीं करता है, जो इसके बजाय एफईए मॉडल द्वारा सटीक रूप से दर्शाया जाता है। फिर भी, दोनों मॉडलों के परिणाम अमेरिकन सोसायटी ऑफ इकोकार्डियोग्राफी (एएसई) और यूरोपियन एसोसिएशन ऑफ इकोकार्डियोग्राफी (ईएई) के वर्गीकरण के अनुरूप हैं, जो लगभग 60-75%38, 39,40के महाधमनी संकुचन के लिए 40-65 एमएमएचजी के पीक ट्रांसारटिक ग्रेडिएंट्स को दर्शाता है।

बेसलाइन पर लेफ्ट वेंट्रिकुलर पीवी लूप, 70% महाधमनी स्टेनोसिस, और एचएफपीईएफ के वेंट्रिकुलर दीवार के कठोर होने के बाद चित्र 5में संक्षेप में प्रस्तुत किया जाता है। इसी तरह के पैटर्न को चित्रा 5Aमें देखा जा सकता है, जो कि अन्य पैरामीटर मॉडल से परिणामों को दर्शाता है, और चित्रा 5 बीमें, जो एफईए के माध्यम से प्राप्त हीमोडायनामिक्स को दिखाता है। ये पीवी लूप एचएफपीईएफ 1 ,11,28,32के वैज्ञानिक और नैदानिक साहित्य के अनुरूप हैं । विशेष रूप से, दोनों मॉडल महाधमनी स्टेनोसिस द्वारा प्रेरित आफ़ोष में वृद्धि के कारण सिस्टोलिक लेफ्ट वेंट्रिकुलर दबाव में वृद्धि को पकड़ने में सक्षम हैं। इसके अलावा, स्टेनोसिस पीवी लूप में एंड-सिस्टोलिक वॉल्यूम बढ़ जाता है, जिससे स्ट्रोक की मात्रा में गिरावट आई है। बाएं वेंट्रिकुलर अनुपालन के पुनर्मॉडलिंग और नुकसान पर, अंत-डायस्टोलिक दबाव-मात्रा संबंध (ईडीपीवीआर) ऊंचा हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च अंत-डायस्टोलिक दबाव और निचले अंत-डायस्टोलिक वॉल्यूम होते हैं। ये घटनाएं, जो बाएं वेंट्रिकल की सक्षमता के कारण आराम करने और पर्याप्त रूप से भरने के कारण होती हैं, को कम और उच्च आयामी मॉडल दोनों में एचएफपीईएफ पीवी लूप द्वारा सफलतापूर्वक कब्जा कर लिया जाता है।

कम डायस्टोलिक फ़ंक्शन के लिए एक और संकेत के रूप में, माइट्रल वाल्व के माध्यम से प्रवाह चित्रा S2में दिखाया गया है, जो प्रारंभिक विश्राम (ई) और अलिंद संकुचन (ए) दोनों चरणों पर प्रकाश डाला गया है। सामान्य और स्टेनोसिस प्रोफाइल की तुलना में, एचएफपीईएफ प्रवाह को थोड़ा अधिक चोटी ई-चरण माइट्रल प्रवाह और काफी कम पीक ए-चरण प्रवाह की विशेषता है, जो बाएं वेंट्रिकल के निष्क्रिय कठोर होने के परिणामस्वरूप एक ऊंचा ई/ए अनुपात है, जो वैज्ञानिक साहित्य30के अनुरूप है । अंत में, चित्रा 6 सिस्टोल और डायस्टोल दोनों के दौरान सामान्य और एचएफपीईएफ दिलों में मायोकार्डियम तनाव मानचित्र में परिवर्तन दिखाता है। बाएं वेंट्रिकल का लंबे समय से अक्ष दृश्य वॉल्यूमेट्रिक औसत तनाव वितरण को दिखाता है और वेंट्रिकुलर अनुपालन की विशेषता हानि के कारण एचएफपीईएफ दिल में ऊंचा तनाव दिखाता है। (61.1 ± 49.8) केपीए और (0.51 ± 7.35) केपीए के आधारभूत मूल्यों से क्रमशः पीक-सिस्टोल (टी = 0.2 एस) और एंड-डायस्टोल (टी = 1.0 एस) के दौरान स्वस्थ हृदय के लिए, एचएफपीईएफ में 97.2 ± 205.7) केपीए और (2.69 ± 16.34) केपीए में औसत तनाव में वृद्धि हुई, जिससे यह सुझाव मिलता है कि एचएफपीईएफ में देखे गए हीमोडायनामिक परिवर्तन असफल हृदय को प्रभावित करने वाले गहन संरचनात्मक परिवर्तनों में निहित हैं।

Figure 1
चित्रा 1: ऑब्जेक्ट-ओरिएंटेड न्यूमेरिकल सॉल्वर (सामग्री की तालिकादेखें), चार-कक्ष दिल, महाधमनी, और ऊपरी शरीर, पेट, निचले शरीर और फेफड़े परिसंचरण को दिखाने में शारीरिक रूप से व्युत्पन्न-पैरामीटर मॉडल का डोमेन। संक्षिप्त: एलवी = बाएं वेंट्रिकल; आरवी = सही वेंट्रिकल; ला = छोड़ दिया आलिंद; आरए = सही एट्रियम; R1 = धमनी प्रतिरोध; R2 = शिंता प्रतिरोध; C = अनुपालन; आईवीसी: अवर वेना कावा; एसवीसी: बेहतर वेना कावा। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्र 2:मानव हृदय का परिमित तत्व विश्लेषण मॉडल। (A)मानव हृदय के परिमित तत्व विश्लेषण मॉडल का 3डी प्रतिनिधित्व। (ख) स्ट्रक्चरल फ्लूइड एक्सचेंज मॉडल18के साथ मिलकर मॉडल में रक्त प्रवाह मॉडल का सरलीकृत गांठ-पैरामीटर प्रतिनिधित्व । संक्षिप्त: एलवी = बाएं वेंट्रिकल; आरवी = सही वेंट्रिकल; ला = छोड़ दिया आलिंद; आरए = सही एट्रियम; आरमहाधमनी = महाधमनी वाल्व प्रतिरोध; आरमाइटल = माइट्रल वाल्व प्रतिरोध; आरपल्मोनरी = पल्मोनरी वाल्व प्रतिरोध; आरट्राइकस्पिड = ट्राइकस्पिड वाल्व प्रतिरोध; सीधमनी = प्रणालीगत धमनी अनुपालन; आरसिस्टम = प्रणालीगत धमनी प्रतिरोध; सीशिरीज़ = प्रणालीगत शिरस अनुपालन, आरवेनस = प्रणालीगत शिरस प्रतिरोध; सीपल्मोनरी = पल्मोनरी अनुपालन; आरपल्मोनरी-सिस्टम = पल्मोनरी प्रतिरोध। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्र 3:मानव हृदय के जटिल पैरामीटर और परिमित तत्व विश्लेषण मॉडल के लिए बेसलाइन सिमुलेशन और दबाव-मात्रा तरंग। (क)बेसलाइन पर लम्प्ड पैरामीटर और एफईए मॉडल द्वारा गणना किए गए लेफ्ट वेंट्रिकुलर प्रेशर और वॉल्यूम वेवफॉर्म और महाधमनी दबाव । (ख)बेसलाइन पर दोनों प्लेटफार्मों के माध्यम से प्राप्त लेफ्ट वेंट्रिकुलर पीवी लूप । संक्षिप्त रूप: FEA = परिमित तत्व विश्लेषण; एलवी = लेफ्ट वेंट्रिकुलर; पीवी = दबाव-मात्रा। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4:बाएं वेंट्रिकुलर प्रेशर और वॉल्यूम वेवफॉर्म और महाधमनी दबाव की गणना महाधमनी वाल्व छिद्र क्षेत्र की 70% कमी पर की जाती है। (ए)लम्पेड-पैरामीटर मॉडल,(बी)एफईए मॉडल। संक्षिप्त रूप: FEA = परिमित तत्व विश्लेषण; एलवी = लेफ्ट वेंट्रिकुलर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5:स्वस्थ हृदय के बाएं वेंट्रिकुलर पीवी लूप, तीव्र स्टेनोसिस-प्रेरित दबाव अधिभार के तहत, और एचएफपीईएफ दिल के क्रोनिक रिमॉडलिंग और कठोर होने के बाद।(ए)लम्प्ड-पैरामीटर,(बी)एफईए मॉडल। संक्षिप्त नाम: ईडीपीवीआरएच = नकली स्वस्थ दिल में अंत-डायस्टोलिक दबाव-मात्रा संबंध; EDPVRHFpEF:नकली एचएफपीईएफ फिजियोलॉजी में एंड-डायस्टोलिक दबाव-मात्रा संबंध; पीवी - दबाव की मात्रा; FEA = परिमित तत्व विश्लेषण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 6
चित्रा 6:वॉन Mises तनाव (औसत: 75%) फिजियोलॉजिकल परिस्थितियों में और पीक-सिस्टोल और डायस्टोल के दौरान एचएफपीईएफ दिल के बारे में, जैसा कि एफईए मॉडल द्वारा भविष्यवाणी की गई है। रंग नक्शे MPa में तनाव के स्तर का संकेत मिलता है। उच्च तनाव HFpEF (92.7-2.7 kPa) में देखा जा सकता है स्वस्थ दिल की तुलना में (61.1-0.5 kPa) पीक-सिस्टोल (टी = ०.२ एस) और अंत-डायस्टोल (टी = १.० एस) के दौरान । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा S1:(ए)अपकेंद्रित्र पंप के लिए इनपुट सिग्नल,(बी)बाएं वेंट्रिकल,(सी)दाएं वेंट्रिकल,(डी)बाएं और दाएं अटरिया के लिए गांठ-पैरामीटर सिमुलेशन के लिए । इस फाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा S2:(A)महाधमनी और(बी)माइट्रल फ्लो सिग्नल बेसलाइन, स्टेनोसिस और एचएफपीईएफ प्रोफाइल के लिए, FEA द्वारा प्राप्त किए गए । संक्षिप्त नाम: ई = जल्दी छूट चरण; एक = अलिंद संकुचन; FEA = परिमित तत्व विश्लेषण; HFpEF = संरक्षित इंजेक्शन अंश के साथ दिल की विफलता। इस फाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

टेबल S1। बेसलाइन लुम्प्ड-पैरामीटर सिमुलेशन के ज्यामितीय और यांत्रिक पैरामीटर। कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

तालिका S2। बेसलाइन लुम्प्ड-पैरामीटर सिमुलेशन के मापदंडों का व्यापक सेट। कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

टेबल S3। यांत्रिक परिमित तत्व विश्लेषण (FEA) मॉडल18में द्रव गुहा मानों । कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

टेबल S4। परिमित तत्व विश्लेषण (FEA) मॉडल18के लिए तरल पदार्थ विनिमय लिंक की सीमा शर्तों । कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

टेबल S5। परिमित तत्व विश्लेषण (FEA) मॉडल18के लिए आवश्यक सिमुलेशन फ़ाइलें । कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

टेबल S6। महाधमनी-स्टेनोसिस के लिए पैरामीटर-पैरामीटर सिमुलेशन। कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

तालिका S7। परिमित तत्व विश्लेषण (FEA) मॉडल18में द्रव विनिमय लिंक परिभाषाएं । कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

तालिका एस 8। एचएफपीईएफ के लिए पैरामीटर-पैरामीटर सिमुलेशन। कृपया इस तालिका को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

इस कार्य में प्रस्तावित लुम्पेड-पैरामीटर और एफईए प्लेटफार्मों ने स्टेनोसिस-प्रेरित दबाव अधिभार और क्रोनिक एचएफपीईएफ दोनों के तीव्र चरण में फिजियोलॉजिकल स्थितियों के तहत हृदय हीमोडायनामिक्स को फिर से रीकैपिटल किया। एचएफपीईएफ विकास के तीव्र और पुराने चरणों में दबाव अधिभार की भूमिका पर कब्जा करके, इन मॉडलों के परिणाम एचएफपीईएफ के नैदानिक साहित्य के साथ समझौते में हैं, जिसमें महाधमनी स्टेनोसिस के कारण ट्रांसऑर्टिक दबाव ढाल की शुरुआत, बाएं वेंट्रिकुलर दबाव में वृद्धि, और वॉल कठोर41के कारण अंत-डायस्टोलिक मात्रा में कमी शामिल है। इसके अलावा, यह एफईए मॉडल पूरे हृदय चक्र में एचएफपीईएफ में मायोकार्डियल तनाव में ऊंचाई पर कब्जा करने में सक्षम था। इन सिमुलेशन का सही सेटअप सुनिश्चित करने के लिए, ऊपर दिए गए प्रोटोकॉल अनुभाग में उल्लिखित चरणों का कड़ाई से पालन किया जाना चाहिए। गांठ-पैरामीटर मॉडल के लिए, यह आवश्यक है कि हाइड्रोलिक तत्वों के नेटवर्क को सही ढंग से बनाया जाए जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है और निर्धारित मान इनपुट पैरामीटर(टेबल S1 और टेबल S2)के रूप में प्रदान किए जाते हैं। इसके अलावा, सॉल्वर ब्लॉक को परिभाषित किया जाना चाहिए और किसी भी नोड पर नेटवर्क से जोड़ा जाना चाहिए।

एफईए मॉडल के कार्य करने के लिए सभी सिमुलेशन फाइलों की आवश्यकता होती है जिन्हें सॉल्वर18 के साथ पैक किया जाता है जो टेबल S5में सूचीबद्ध हैं। किसी भी शर्त घटकों की चूक सिमुलेशन की जल्दी समाप्ति का कारण बन सकती है। दोनों प्लेटफार्मों के लिए, स्टेनोसिस और एचएफपीईएफ हीमोडायनामिक प्रोफाइल को फिर से बनाने से पहले डिफ़ॉल्ट इनपुट मापदंडों के साथ बेसलाइन सिमुलेशन प्राप्त करना महत्वपूर्ण है। बेसलाइन सिमुलेशन15 को रेखांकित करने वाले मूल शोध लेख और पूरक फ़ाइलों में सिमुलेशन से जुड़े दस्तावेज को गांठ-पैरामीटर मॉडल के निवारण के लिए परामर्श किया जा सकता है। इसी तरह, इस FEA फ्रेमवर्क में18समस्या निवारण के लिए सॉफ्टवेयर दस्तावेज और टूलबॉक्स फ़ोल्डर शामिल हैं। सिमुलेशन त्रुटि की स्थिति में, उपयोगकर्ता टूलबॉक्स फ़ोल्डर18में सापेक्ष प्लग-इन को निष्पादित करके सिमुलेशन निदान का आह्वान कर सकता है। गांठ-पैरामीटर मॉडल से हेमोडायनामिक परिणाम प्रत्येक नकली स्थितियों में एफईए के माध्यम से गणना किए गए और एचएफपीईएफ के नैदानिक साहित्य के अनुरूप थे। उच्च आयामी एफईए प्लेटफॉर्म दिल के जटिल बायोमैकेनिकल व्यवहार को पकड़ने की अनुमति देता है और हृदय हीमोडायनामिक्स का सटीक विवरण प्रदान करता है, हालांकि ऊंचा कम्प्यूटेशनल मांग की कीमत पर। हालांकि, लुम्पेड-पैरामीटर मॉडल में, रनटाइम कई घंटों से कुछ मिनटों तक कम हो जाता है, जो सिलिको मॉडल में उच्च क्रम पर एक महत्वपूर्ण लाभ का गठन करता है।

इसके अलावा, हृदय डिब्बों की एक बड़ी संख्या मॉडलिंग करके, यह गांठ-पैरामीटर सिमुलेशन हृदय के पेड़ के विभिन्न स्थलों पर रक्त प्रवाह और दबाव की परीक्षा की अनुमति देता है और इसलिए अध्ययन के लिए उपयुक्त है जो हृदय कक्षों और समीपस्थ वास्कुलचर से परे है। हालांकि, वैश्विक हेमोडायनामिक्स को फिर से शुरू करने में सक्षम होने के दौरान, यह विवरण संरचनात्मक बातचीत के कुछ मामूली प्रभावों को पकड़ने में विफल रहता है और इसलिए एफईए अभ्यावेदनों की विशिष्ट सटीकता का अभाव है। परिमित तत्व दृष्टिकोण के माध्यम से इस अध्ययन में प्राप्त हृदय यांत्रिकी के विश्लेषण ने पिछली जांचों से उन लोगों की पुष्टि की । विशेष रूप से, ये मतलब तनाव मूल्य उसी सीमा में हैं जो पुरानी विफलता34,37के दौरान आंशिक रूप से समर्थित दिल के विकास मॉडल द्वारा भविष्यवाणी किए गए हैं। उन मॉडलों की तुलना में, यहां वर्णित इन अध्ययनों में पाए गए तनाव मूल्य दबाव अधिभार को प्रेरित करने के लिए नकली महाधमनी स्टेनोसिस के ऊंचा स्तर के कारण मामूली रूप से अधिक थे। इसके अलावा, यह पाया गया कि एचएफपीईएफ में बाएं वेंट्रिकुलर अनुपालन के नुकसान का एंडोकार्डियल तनाव पर बड़ा प्रभाव पड़ता है।

हालांकि, इस अध्ययन में डायस्टोलिक कठोरता और इसकी संवेदनशीलता की असाधारण जांच नहीं की गई । वास्तव में, इस पैरामीटर को क्रोनिक लेफ्ट वेंट्रिकुलर प्रेशर ओवरलोड के शारीरिक रूप से प्रासंगिक हेमोडायनामिक प्रोफाइल पर कब्जा करने के लिए ट्यून किया गया था। कम डायस्टोलिक अनुपालन के प्रभावों को पूरी तरह से चित्रित करने के लिए व्यापक संवेदनशीलता विश्लेषण किया जाना चाहिए। इस कम्प्यूटेशनल मॉडल से आगे पता चलता है कि एचएफपीईएफ में कार्डियक संरचना के बायोमैकेनिकल परिवर्तन रीमॉडलिंग के एक प्रमुख चालक हो सकते हैं और इस प्रकार एचएफपीईएफ हीमोडायनामिक्स और रोग प्रगति में काफी निहितार्थ हो सकते हैं। एफईए सिमुलेशन की तरल संरचना बातचीत के साथ एक गतिशील विकास मॉडल के एकीकरण पर भविष्य के काम में विचार किया जा सकता है ताकि दबाव अधिभार द्वारा प्रेरित कार्डियक रीमॉडलिंग और हीमोडायनामिक विपथन की गतिशीलता को अधिक व्यापक रूप से कैप्चर किया जा सके। इसके अलावा, काड्री एट अल के समान सक्रिय विश्राम के प्रभावोंके आगे के अध्ययन और डायस्टोलिक डिसफंक्शन के विभिन्न फेनोटाइप का अनुकरण करने के लिए विद्युत चालन और संकुचन की आवश्यकता हो सकती है।

एचएफपीईएफ के अध्ययन के लिए उपयुक्त सिमुलेशन प्लेटफार्मों का विकास साहित्य में काफी हद तक कम बताया गया है। इस संदर्भ में, यह काम एचएफपीईएफ रोगविज्ञान के अध्ययन के लिए एक अनूठा वातावरण प्रदान करता है। शारीरिक रूप से व्युत्पन्न गांठ-पैरामीटर मॉडल प्रभाव के तेजी से अनुकरण की अनुमति देगा जो स्वस्थ और एचएफपीईएफ स्थितियों के लिए वैश्विक हीमोडायनामिक्स में रोगी-विशिष्ट हेमोडायनामिक पैरामीटर (जैसे, संवहनी ल्यूमिनल क्षेत्र और अनुपालन) को अलग करता है। इसके अलावा, FEA मॉडलिंग यांत्रिक गुणों में लौकिक परिवर्तन और हृदय ऊतक की उत्तेजना के प्रभावों की विस्तृत जांच की अनुमति देता है क्योंकि वे एचएफपीईएफ के दौरान उत्तरोत्तर बदलते हैं। इसके अलावा, प्रस्तावित मॉडलों में एचएफपीईएफ के लिए उपन्यास चिकित्सा के अनुकरण के लिए संभावित उपयोगिता है, आंशिक रूप सेवीवो, इन विट्रो में और एचएफपीईएफ के सिलिको मॉडल में विश्वसनीय की कमी को संबोधित करते हुए, जो अपर्याप्त डिवाइस अनुकूलन42के कारण नैदानिक परीक्षणों के निलंबन के लिए जिम्मेदार हो सकता है। अंत में, भविष्य के काम में इन मॉडलों के एकीकरण को एक ही सिमुलेशन में शामिल किया जा सकता है, जो न्यूमेरिकल सॉल्वर मॉडल के साथ एफईए दृष्टिकोण में अंतर्निहित सरलीकृत लुम्प्ड-पैरामीटर विवरण को प्रतिस्थापित करता है। यह आगे इन मॉडलों की सटीकता में वृद्धि और आगे HFpEF और अन्य हृदय की स्थिति के कम्प्यूटेशनल अध्ययन का समर्थन कर सकते हैं।

संक्षेप में, इस अध्ययन में एचएफपीईएफ के दो अलग-अलग कम्प्यूटेशनल मॉडलों का वर्णन किया गया था। फिजियोलॉजिकल परिस्थितियों में बेसलाइन हीमोडायनामिक्स का वर्णन करने के लिए विकसित प्लेटफार्मों की क्षमता का पहली बार प्रदर्शन किया गया था। फिर, महाधमनी स्टेनोसिस से उत्पन्न परिवर्तन और अंततः बाएं वेंट्रिकुलर रीमॉडलिंग के कारण एचएफपीईएफ से जांच की गई, यह प्रदर्शित किया गया कि परिणाम साहित्य में रिपोर्ट किए गए लोगों के अनुरूप थे। अंत में, नकली हीमोडायनामिक स्थितियों ने फिजियोलॉजिकल स्थितियों की तुलना में एचएफपीईएफ दिल में कार्डियक वॉल तनाव में ऊंचाई दिखाई। एचएफपीईएफ द्वारा प्रतिनिधित्व की जाने वाली अविश्वसनीय रूप से दबाव वाली हेल्थकेयर चुनौती के संदर्भ में, ये प्रस्तावित प्लेटफ़ॉर्म सिलिको विवरणों में पहले हैं जो एचएफपीईएफ के हीमोडायनामिक्स और बायोमैकेनिक्स में अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकते हैं। इन कम्प्यूटेशनल मॉडलों को आगे HFpEF के लिए उपचार के विकास के लिए एक उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, अंततः क्षेत्र में अनुवाद अनुसंधान का समर्थन ।

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Disclosures

इस काम से जुड़े हितों के टकराव नहीं हैं।

Acknowledgments

हम हार्वर्ड-मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी हेल्थ साइंसेज एंड टेक्नोलॉजी प्रोग्राम से फंडिंग और इंस्टीट्यूट फॉर मेडिकल इंजीनियरिंग एंड साइंस से सीता फाउंडेशन अवॉर्ड को स्वीकार करते हैं ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Abaqus Software Dassault Systèmes Simulia Corp. Version used: 2018; FEA simulation software
HETVAL Dassault Systèmes Simulia Corp. Version used: 2018
Hydraulic (Isothermal) library MathWorks Version used: 2020a
Living Heart Human Model Dassault Systèmes Simulia Corp. Version used: V2_1, anatomically accurate FEA platform of 4-chamber adult human heart
MATLAB MathWorks Version used: 2020a, object-oriented numerical solver
SIMSCAPE FLUIDS MathWorks
UAMP Dassault Systèmes Simulia Corp. Version used: 2018
VUANISOHYPER Dassault Systèmes Simulia Corp. Version used: 2018

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इंजीनियरिंग अंक 168 लंप्ड-पैरामीटर मॉडल विंडकेसेल मॉडल परिमित तत्व मॉडल लिविंग हार्ट मॉडल कार्डियोवस्कुलर सिस्टम महाधमनी स्टेनोसिस हार्ट फेलियर संरक्षित रिजेक्शन अंश के साथ हार्ट फेलियर एचएफपीईएफ
संरक्षित रिजेक्शन अंश के साथ हार्ट फेलियर के लिए लुम्पेड-पैरामीटर और परिमित तत्व मॉडलिंग
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Rosalia, L., Ozturk, C., Roche, E.… More

Rosalia, L., Ozturk, C., Roche, E. T. Lumped-Parameter and Finite Element Modeling of Heart Failure with Preserved Ejection Fraction. J. Vis. Exp. (168), e62167, doi:10.3791/62167 (2021).

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