Korunmuş Ejeksiyon Fraksiyonu ile Kalp Yetmezliğinin Topaklanmış Parametre ve Sonlu Eleman Modellemesi

Luca Rosalia; Caglar Ozturk; Ellen T. Roche

doi:10.3791/62167

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Korunmuş Ejeksiyon Fraksiyonu ile Kalp Yetmezliğinin Topaklanmış Parametre ve Sonlu Eleman Modellemesi

6.5K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/62167

⸱

13 Şubat 2021

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

Bu makalede

Özet

Bu çalışma, topaklanmış parametre yaklaşımına ve sonlu eleman analizine dayanan korunmuş çıkarma fraksiyonu ile kalp yetmezliğinin iki hesaplama modelini tanıtır. Bu modeller, basınç aşırı yüklenmesi ve azalan ventrikül uyumu ile indüklenen sol ventrikül ve buna bağlı vaskülatın hemodinamiklerindeki değişiklikleri değerlendirmek için kullanılır.

Özet

Kardiyovasküler hastalıkların hesaplamalı modelleme alanındaki bilimsel çabalar, büyük ölçüde azaltılmış ejeksiyon fraksiyonu (HFrEF) ile kalp yetmezliğine odaklanmıştır ve daha yakın zamanda dünya çapında baskın bir kalp yetmezliği formu haline gelen korunmuş ejeksiyon fraksiyonu (HFpEF) ile kalp yetmezliğini genel olarak gözden kaçırmaktadır. HFpEF'in siliko gösterimlerindeki azlığı ile motive edilen bu makalede, sol ventrikül basıncı aşırı yüklenmesinden kaynaklanan HFpEF hemodinamiklerini simüle etmek için iki farklı hesaplama modeli sunulmaktadır. İlk olarak, sayısal bir çözücü kullanılarak nesne yönelimli topaklanmış parametre modeli geliştirilmiştir. Bu model, konstrüktif elemanların geometrik ve mekanik özelliklerine bağlı olan ve düşük hesaplama maliyetleri avantajı sunan sıfır boyutlu (0D) Windkessel benzeri bir ağa dayanmaktadır. İkinci olarak, çok boyutlu bir simülasyonun uygulanması için sınırlı bir eleman analizi (FEA) yazılım paketi kullanılmıştır. FEA modeli, elektro-mekanik kardiyak tepki, yapısal deformasyonlar ve sıvı boşluğu tabanlı hemodinamiklerin üç boyutlu (3D) multifizik modellerini birleştirir ve farklı akış boşlukları arasındaki akış değişimi profillerini tanımlamak için basitleştirilmiş bir topaklanmış parametre modeli kullanır. Her yaklaşımda, basınç aşırı yüklenmesinden kaynaklanan sol ventrikül ve proksimal vaskülasyondaki akut ve kronik hemodinamik değişiklikler başarıyla simüle edildi. Özellikle, basınç aşırı yüklemesi aort kapakçığının delik alanı azaltılarak modellenirken, sol ventrikül duvarının uyumu azaltılarak kronik yeniden modelleme simüle edildi. HFpEF'in bilimsel ve klinik literatürü ile tutarlı olarak, her iki modelden elde edilen sonuçlar (i) sol ventrikül ile aort arasında transaortik basınç gradyanının akut bir yükselmesini ve inme hacminde bir azalma ve (ii) diyastolik disfonksiyonun göstergesi olan son diyastolik sol ventrikül hacminde kronik bir azalma olduğunu göstermektedir. Son olarak, FEA modeli, HFpEF miyokardındaki stresin kalp döngüsü boyunca sağlıklı kalp dokusundan oldukça yüksek olduğunu göstermektedir.

Giriş

Kalp yetmezliği, vücudun metabolik taleplerine ayak uydurmak için kalbin yeterince pompalayamaması veya doldurulamaması durumunda ortaya çıkan dünya çapında önde gelen bir ölüm nedenidir. Fırlatma fraksiyonu, yani, her kasılma ile atılan sol ventrikülde depolanan göreceli kan miktarı, (i) azaltılmış ejeksiyon fraksiyonu (HFrEF) ile kalp yetmezliği ve (ii) korunmuş ejeksiyon fraksiyonu (HFpEF) ile kalp yetmezliği, sırasıyla^1,²^,^3'tenküçük veya daha büyük ejeksiyon fraksiyonları için klinik olarak kullanılır. HFpEF belirtileri genellikle aort darlığı, hipertansiyon ve sol ventri....