संरक्षित रिजेक्शन अंश के साथ हार्ट फेलियर के लिए लुम्पेड-पैरामीटर और परिमित तत्व मॉडलिंग
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।
Protocol
Representative Results
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 फि?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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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