Summary

تجميع المعلمة ونمذجة عنصر محدود من فشل القلب مع الحفاظ على كسر طرد

Published: February 13, 2021
doi:

Summary

يقدم هذا العمل نموذجين حسابيين لفشل القلب مع كسر طرد محفوظ استنادا إلى نهج المعلمة المقطوعة وتحليل العناصر المحدودة. وتستخدم هذه النماذج لتقييم التغيرات في الديناميكا الدموية للبطين الأيسر و الوعائية ذات الصلة الناجمة عن الضغط الزائد وتناقص الامتثال البطيني.

Abstract

ركزت الجهود العلمية في مجال النمذجة الحسابية لأمراض القلب والأوعية الدموية إلى حد كبير على قصور القلب مع انخفاض كسر القذف (HFrEF) ، وتطل على نطاق واسع على قصور القلب مع جزء الإخراج المحفوظ (HFpEF) ، والذي أصبح في الآونة الأخيرة شكلا مهيمنا من قصور القلب في جميع أنحاء العالم. بدافع من ندرة HFpEF في تمثيلات السيليكو ، يتم تقديم نموذجين حسابيين متميزين في هذه الورقة لمحاكاة الديناميكا الدموية ل HFpEF الناتجة عن الحمل الزائد لضغط البطين الأيسر. أولا، تم تطوير نموذج معلمة مقطوعة موجهة نحو الكائن باستخدام حلالي رقمي. ويستند هذا النموذج على شبكة تشبه ينكيسل صفر الأبعاد (0D)، والتي تعتمد على الخصائص الهندسية والميكايكية للعناصر التأسيسية، ويوفر ميزة انخفاض التكاليف الحسابية. ثانيا، استخدمت مجموعة برامجيات تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتنفيذ محاكاة متعددة الأبعاد. يجمع نموذج FEA بين نماذج متعددة الفيزياء ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) للاستجابة القلبية الكهربائية والميكايكية والتشوهات الهيكلية والديناميكا الدموية القائمة على تجويف السوائل ويستخدم نموذجا مبسطا للمعلمة المقطوعة لتحديد ملامح تبادل التدفق بين تجاويف السوائل المختلفة. من خلال كل نهج، تم محاكاة كل من التغيرات الحادة والمزمنة في البطين الأيسر وعائي قريب الناتجة عن الحمل الزائد للضغط بنجاح. على وجه التحديد ، تم تصميم الحمل الزائد للضغط عن طريق تقليل مساحة فتحة الصمام الأبهري ، في حين تم محاكاة إعادة العرض المزمنة عن طريق تقليل امتثال الجدار البطيني الأيسر. بما يتفق مع الأدبيات العلمية والسريرية ل HFpEF ، تظهر النتائج من كلا النموذجين (1) ارتفاعا حادا في تدرج الضغط عبر الأورطي بين البطين الأيسر والشهرة وانخفاضا في حجم السكتة الدماغية و (2) انخفاضا مزمنا في حجم البطين الأيسر الانبساطي النهائي ، مما يدل على الخلل الانبساطي. وأخيرا، يوضح نموذج FEA أن الإجهاد في عضلة القلب HFpEF أعلى بشكل ملحوظ مما كان عليه في أنسجة القلب السليمة طوال دورة القلب.

Introduction

قصور القلب هو السبب الرئيسي للوفاة في جميع أنحاء العالم، والذي يحدث عندما يكون القلب غير قادر على ضخ أو ملء كافية لمواكبة المطالب الأيضية للجسم. يتم استخدام كسر القذف ، أي الكمية النسبية من الدم المخزن في البطين الأيسر التي يتم إخراجها مع كل انكماش سريريا لتصنيف فشل القلب إلى (1) فشل القلب مع انخفاض كسر القذف (HFrEF) و (2) فشل القلب مع كسر القذف المحفوظ (HFpEF) ، لكسور القذف أقل من أو أكبر من 45 ٪ ، على التوالي1،2،3. أعراض HFpEF غالبا ما تتطور استجابة للضغط البطيني الأيسر الزائد, والتي يمكن أن تكون ناجمة عن عدة ظروف بما في ذلك تضيق الأبهر, ارتفاع ضغط الدم, واليسار انسداد المسالك تدفق البطين3,4,5,6,7. الضغط الزائد يدفع سلسلة من الانحرافات الجزيئية والخلوية، مما يؤدي إلى سماكة الجدار البطيني الأيسر (إعادة عرض متحدة المركز) وفي نهاية المطاف، إلى تصلب الجدار أو فقدانالامتثال 8،9،10. هذه التغيرات الميكانيكية الحيوية تؤثر تأثيرا عميقا على الديناميكا الدموية القلبية الوعائية لأنها تؤدي إلى ارتفاع نهاية الضغط الانبساطي حجم العلاقة وفي الحد من حجم نهاية الانبساطي11.

وقد أدى النمذجة الحسابية لنظام القلب والأوعية الدموية إلى تطوير فهم ضغط الدم والتدفقات في كل من علم وظائف الأعضاء والمرض وعززت تطوير استراتيجيات التشخيص والعلاج12. في نماذج سيليكو تصنف إلى نماذج منخفضة أو عالية الأبعاد، مع استخدام الأول أساليب تحليلية لتقييم الخصائص العالمية للمودية مع انخفاض الطلب الحسابي، والثاني توفير وصف متعدد المقاييس والفيزياء أكثر شمولا من ميكانيكا القلب والأوعية الدموية والديناميكا الدموية في المجال 2D أو 3D13. تمثيل Windkessel المعلمة المقطوعة هو الأكثر شيوعا بين الأوصاف منخفضة الأبعاد. استنادا إلى القياس الدائرة الكهربائية (قانون أوم)، وهذا يحاكي السلوك الدموي العام لنظام القلب والأوعية الدموية من خلال مزيج من المقاومة، والعناصر السعائية، والإستقرائية14. وقد اقترحت دراسة حديثة أجرتها هذه المجموعة نموذج ويندكيسل بديل في المجال الهيدروليكي الذي يسمح بنمذجة التغيرات في هندسة وميكانيكا غرف الأوعية والقلب الكبيرة والصمامات بطريقة أكثر بديهية من النماذج التناظرية الكهربائية التقليدية. تم تطوير هذه المحاكاة على حلال رقمي موجه نحو الجسم (انظر جدول المواد)ويمكن التقاط الديناميكا الدموية العادية ، والآثار الفسيولوجية للاقتران القلبي التنفسي ، وتدفق الدم المدفوع بالجهاز التنفسي في فسيولوجيا القلب الواحد ، والتغيرات الديناميكية الدموية بسبب انقباض الأبهر. هذا الوصف يتوسع في قدرات نماذج المعلمة المقطوعة من خلال تقديم نهج بديهية جسديا لنموذج طيف من الحالات المرضية بما في ذلك فشل القلب15.

وتستند نماذج عالية الأبعاد على FEA لحساب الديناميكا الدموية الصدغية والتفاعلات بنية السوائل. ويمكن أن تقدم هذه التمثيلات وصفا مفصلا ودقيقا لحقل تدفق الدم المحلي؛ ومع ذلك ، نظرا لانخفاض كفاءتها الحسابية ، فهي ليست مناسبة لدراسات شجرة القلب والأوعية الدموية بأكملها16،17. تم استخدام حزمة برامج (انظر جدول المواد)كمنصة FEA دقيقة تشريحيا لقلب الإنسان البالغ من 4 غرف ، والذي يدمج الاستجابة الكهربائية والميكايكية ، والتشوهات الهيكلية ، والديناميكا الدموية القائمة على تجويف السوائل. نموذج القلب البشري تكييفها يضم أيضا نموذج بسيط جمعت المعلمة التي تحدد تبادل تدفق بين تجاويف السوائل المختلفة، فضلا عن توصيف الميكانيكية كاملة من الأنسجة القلبية18،19.

وقد صيغت عدة نماذج المعلمة المقطوعة وFEA من قصور القلب لالتقاط تشوهات الدم وتقييم الاستراتيجيات العلاجية، لا سيما في سياق أجهزة المساعدة الدورة الدموية الميكانيكية لHFrEF20،21،22،23،24. مجموعة واسعة من نماذج 0D مجمع المعلمة من مختلف التعقيدات وبالتالي استولت بنجاح على الديناميكا الدموية للقلب البشري في الظروف الفسيولوجية وHFrEF عن طريق التحسين من اثنين أو ثلاثة عناصر الكهربائية التناظرية أنظمة Windkessel20،21،23،24. غالبية هذه التمثيلات هي نماذج أحادية أو ثنائية البطين على أساس صياغة اختلاف الإلستيانس الوقت لإعادة إنتاج العمل الانكماشي للقلب واستخدام علاقة غير خطية نهاية الضغط الانبساطي حجم لوصف ملء البطين25،26،27. وقد استخدمت نماذج شاملة، والتي تلتقط شبكة القلب والأوعية الدموية المعقدة وتحاكي كل من عمل الضخ الأذيني والبطيني، كمنصات لاختبار الأجهزة. ومع ذلك، على الرغم من وجود مجموعة كبيرة من الأدب حول مجال HFrEF، وقد اقترح عدد قليل جدا في نماذج سيليكو من HFpEF20،22،28،29،30،31.

نموذج منخفض الأبعاد من الديناميكا الدموية HFpEF، التي وضعتها مؤخرا Burkhoffوآخرون. 32 وGranegger وآخرون.28،يمكن التقاط حلقات حجم الضغط (PV) من القلب 4 غرف، إعادة رسملة تماما الديناميكا الدموية من الأنماط الظاهرية المختلفة من HFpEF. وعلاوة على ذلك، فإنها تستخدم منصة سيليكو لتقييم جدوى جهاز الدورة الدموية الميكانيكية لHFpEF، والبحوث الحسابية الرائدة من HFpEF لدراسات علم وظائف الأعضاء، فضلا عن تطوير الجهاز. ومع ذلك، لا تزال هذه النماذج غير قادرة على التقاط التغيرات الديناميكية في تدفقات الدم والضغوط التي لوحظت أثناء تطور المرض. دراسة حديثة أجراها قادري وآخرون30 يلتقط الأنماط الظاهرية المختلفة للخلل الانبساطي عن طريق ضبط الاسترخاء النشط للشغاف والتصلب السلبي للبطين الأيسر على نموذج منخفض الأبعاد. يوفر عملهم تحليلا ديناميكيا شاملا للخلل الانبساطي استنادا إلى الخصائص النشطة والسلبية للشغاف. وبالمثل، ركزت أدبيات النماذج عالية الأبعاد في المقام الأول على HFrEF19،33،34،35،36،37. اقترح بكير وآخرون33 نموذج FEA للسائل القلبي المقترن بالكامل للتنبؤ بالملف الحيوي HFrEF وفعالية جهاز مساعدة البطين الأيسر (LVAD). هذا النموذج ثنائي البطين (أو غرفتين) تستخدم دائرة Windkessel مقرونة لمحاكاة الديناميكا الدموية للقلب صحية, HFrEF وHFrEF مع دعم LVAD33,37.

وبالمثل، طور ساك وآخرون35 نموذجا ثنائي البطين للتحقيق في الخلل البطيني الأيمن. تم الحصول على هندستها ثنائية البطين من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي للمريض (MRI) ، وتم بناء شبكة العنصر المحدود للنموذج باستخدام تجزئة الصورة لتحليل الديناميكا الدموية للبطين الأيمن الفاشل المدعوم من VAD35. وقد وضعت أربع غرف FEA نهج القلب لتعزيز دقة نماذج السلوك الكهروميكاني للقلب19،34. على النقيض من الأوصاف ثنائية البطين ، توفر نماذج أربع غرف مشتقة من التصوير بالرنين المغناطيسي لقلب الإنسان تمثيلا أفضل لتشريح القلب والأوعية الدموية18. نموذج القلب المستخدمة في هذا العمل هو مثال راسخ لنموذج FEA من أربع غرف. وخلافا لنماذج FEA المعلمة المقطوعة وبطين البطين، وهذا التمثيل يلتقط التغيرات في الدم لأنها تحدث أثناء تطور المرض34،37. على سبيل المثال، استخدمت Genet et al.34نفس المنصة لتنفيذ نموذج النمو العددي لإعادة التصميم الذي لوحظ في HFrEF و HFpEF. ومع ذلك، فإن هذه النماذج تقييم آثار تضخم القلب على الميكانيكا الهيكلية فقط ولا توفر وصفا شاملا للديناميكا الدموية المرتبطة بها.

لمعالجة عدم وجود HFpEF في نماذج سيليكو في هذا العمل، تم إعادة تجهيز نموذج المعلمة المجمعة التي وضعتها سابقا هذه المجموعة15 ونموذج FEA لمحاكاة الملف الشخصي للموديلاميكية ل HFpEF. وتحقيقا لهذه الغاية، سيتم إثبات قدرة كل نموذج على محاكاة الديناميكا الدموية القلبية الوعائية عند خط الأساس لأول مرة. آثار تضيق الناجمة عن الضغط البطيني الأيسر الزائد وتناقص الامتثال البطين الأيسر بسبب إعادة عرض القلب- السمة المميزة النموذجية لHFpEF-سيتم تقييمها بعد ذلك.

Protocol

1. نموذج المعلمة المقطوعة 0D إعداد المحاكاةملاحظة: في بيئة حلال العددية (راجع جدول المواد)،قم بإنشاء المجال كما هو موضح في الشكل 1. ويتكون هذا من قلب 4 غرف، الجزء العلوي من الجسم، البطن، الجزء السفلي من الجسم، ومقصورات الصدر، فضلا عن الأوعية الدموية القريبة، ?…

Representative Results

ويتضح من نتائج المحاكاة الأساسية في الشكل 3. وهذا يصور الضغط وحجم الموجات البطين الأيسر و الشريان الأورطي(الشكل 3A)وكذلك حلقة الكهروضوئي البطين الأيسر(الشكل 3B). اثنين في نماذج سيليكو تظهر مماثلة الشريان الأورطي واليساري الديناميكا البطينية,…

Discussion

وقد لخصت المنصات ذات المعلمة المقطوعة ومنصات FEA المقترحة في هذا العمل الديناميكا الدموية القلبية الوعائية في ظل ظروف فسيولوجية، سواء في المرحلة الحادة من الحمل الزائد للضغط الناجم عن تضيق أو في HFpEF المزمن. من خلال التقاط الدور الذي يلعبه الضغط الزائد في المراحل الحادة والمزمنة لتطوير HFpEF ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نعترف بتمويل من معهد هارفارد-ماساتشوستس للعلوم والتكنولوجيا الصحية التكنولوجية، وجائزة مؤسسة سيتا من معهد الهندسة الطبية والعلوم.

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

References

  1. Borlaug, B. A., Paulus, W. J. Heart failure with preserved ejection fraction: Pathophysiology, diagnosis, and treatment. European Heart Journal. 32 (6), 670-679 (2011).
  2. Borlaug, B. A., Kane, G. C., Melenovsky, V., Olson, T. P. Abnormal right ventricular-pulmonary artery coupling with exercise in heart failure with preserved ejection fraction. European Heart Journal. 37 (43), 3293-3302 (2016).
  3. Borlaug, B. A. Evaluation and management of heart failure with preserved ejection fraction. Nature Reviews Cardiology. 17 (9), 1-15 (2020).
  4. Carabello, B. A., Paulus, W. J. Aortic stenosis. The Lancet. 373 (9667), 956-966 (2009).
  5. Lam, C. S. P., Donal, E., Kraigher-Krainer, E., Vasan, R. S. Epidemiology and clinical course of heart failure with preserved ejection fraction. European Journal of Heart Failure. 13 (1), 18-28 (2011).
  6. Omote, K., et al. Left ventricular outflow tract velocity time integral in hospitalized heart failure with preserved ejection fraction. ESC Heart Failure. 7 (1), 167-175 (2020).
  7. Samson, R., Jaiswal, A., Ennezat, P. V., Cassidy, M., Jemtel, T. H. L. Clinical phenotypes in heart failure with preserved ejection fraction. Journal of the American Heart Association. 5 (1), (2016).
  8. Weber, K. T., Brilla, C. G., Janicki, J. S. Myocardial fibrosis: Functional significance and regulatory factors. Cardiovascular Research. 27 (3), 341-348 (1993).
  9. Borbély, A., et al. Cardiomyocyte stiffness in diastolic heart failure. Circulation. 111 (6), 774-781 (2005).
  10. Borlaug, B. A., Lam, C. S. P., Roger, V. L., Rodeheffer, R. J., Redfield, M. M. Contractility and Ventricular Systolic Stiffening in Hypertensive Heart Disease. Insights Into the Pathogenesis of Heart Failure With Preserved Ejection Fraction. Journal of the American College of Cardiology. 54 (5), 410-418 (2009).
  11. Penicka, M., et al. Heart Failure With Preserved Ejection Fraction in Outpatients With Unexplained Dyspnea. A Pressure-Volume Loop Analysis. Journal of the American College of Cardiology. 55 (16), 1701-1710 (2010).
  12. Owen, B., Bojdo, N., Jivkov, A., Keavney, B., Revell, A. Structural modelling of the cardiovascular system. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 17 (5), 1217-1242 (2018).
  13. Zhou, S., et al. A review on low-dimensional physics-based models of systemic arteries: Application to estimation of central aortic pressure. BioMedical Engineering Online. 18 (1), 41 (2019).
  14. Sagawa, K., Lie, R. K., Schaefer, J. Translation of Otto frank’s paper “Die Grundform des arteriellen Pulses” zeitschrift für biologie 37. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 22 (1899), 253-254 (1990).
  15. Rosalia, L., Ozturk, C., Van Story, D., Horvath, M., Roche, E. T. Object-oriented lumped-parameter modeling of the cardiovascular system for physiological and pathophysiological conditions. Advanced theory and simulations. , (2021).
  16. Lopez-Perez, A., Sebastian, R., Ferrero, J. M. Three-dimensional cardiac computational modelling: METHODS, features and applications. BioMedical Engineering Online. 14, 35 (2015).
  17. Xie, X., Zheng, M., Wen, D., Li, Y., Xie, S. A new CFD based non-invasive method for functional diagnosis of coronary stenosis. BioMedical Engineering Online. 17 (1), 36 (2018).
  18. Abaqus Dassault, S. . SIMULIA living heart human model user documentation. , (2017).
  19. Baillargeon, B., Rebelo, N., Fox, D. D., Taylor, R. L., Kuhl, E. The living heart project: A robust and integrative simulator for human heart function. European Journal of Mechanics, A/Solids. 48, 38-47 (2014).
  20. Moscato, F., et al. Use of continuous flow ventricular assist devices in patients with heart failure and a normal ejection fraction: a computer-simulation study. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 145 (5), 1352-1358 (2013).
  21. Fresiello, L., Meyns, B., Di Molfetta, A., Ferrari, G. A Model of the Cardiorespiratory Response to Aerobic Exercise in Healthy and Heart Failure Conditions. Frontiers in Physiology. 7 (189), (2016).
  22. Moscato, F., et al. Left ventricle afterload impedance control by an axial flow ventricular assist device: a potential tool for ventricular recovery. Artificial Organs. 34 (9), 736-744 (2010).
  23. Colacino, F. M., Moscato, F., Piedimonte, F., Arabia, M., Danieli, G. A. Left ventricle load impedance control by apical VAD can help heart recovery and patient perfusion: a numerical study. Asaio Journal. 53 (3), 263-277 (2007).
  24. Gu, K., et al. Lumped parameter model for heart failure with novel regulating mechanisms of peripheral resistance and vascular compliance. Asaio Journal. 58 (3), 223-231 (2012).
  25. Suga, H., Sagawa, K., Kostiuk, D. P. Controls of ventricular contractility assessed by pressure-volume ratio, Emax. Cardiovascular Research. 10 (5), 582-592 (1976).
  26. Fernandez de Canete, J., Saz-Orozco, P. d., Moreno-Boza, D., Duran-Venegas, E. Object-oriented modeling and simulation of the closed loop cardiovascular system by using SIMSCAPE. Computers in Biology and Medicine. 43 (4), 323-333 (2013).
  27. Heldt, T., Shim, E. B., Kamm, R. D., Mark, R. G., et al. Computational modeling of cardiovascular response to orthostatic stress. Journal of Applied Physiology. 92 (3), 1239-1254 (2002).
  28. Granegger, M., et al. A Valveless Pulsatile Pump for the Treatment of Heart Failure with Preserved Ejection Fraction: A Simulation Study. Cardiovascular Engineering and Technology. 10 (1), 69-79 (2019).
  29. Hay, I., Rich, J., Ferber, P., Burkhoff, D., Maurer, M. S. Role of impaired myocardial relaxation in the production of elevated left ventricular filling pressure. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 288 (3), 1203-1208 (2005).
  30. Kadry, K., et al. Biomechanics of diastolic dysfunction: a one-dimensional computational modeling approach. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 319 (4), 882-892 (2020).
  31. Luo, C., Ramachandran, D., Ware, D. L., Ma, T. S., Clark, J. W. Modeling left ventricular diastolic dysfunction: classification and key indicators. Theoretical Biology & Medical Modelling. 8, 14 (2011).
  32. Burkhoff, D., et al. Left atrial decompression pump for severe heart failure with preserved ejection fraction: theoretical and clinical considerations. JACC: Heart Failure. 3 (4), 275-282 (2015).
  33. Ahmad Bakir, A., Al Abed, A., Stevens, M. C., Lovell, N. H., Dokos, S. A Multiphysics Biventricular Cardiac Model: Simulations With a Left-Ventricular Assist Device. Frontiers in Physiology. 9 (1259), (2018).
  34. Genet, M., Lee, L. C., Baillargeon, B., Guccione, J. M., Kuhl, E. Modeling pathologies of diastolic and systolic heart failure. Annals of Biomedical Engineering. 44 (1), 112-127 (2016).
  35. Sack, K. L., et al. Investigating the Role of Interventricular Interdependence in Development of Right Heart Dysfunction During LVAD Support: A Patient-Specific Methods-Based Approach. Frontiers in Physiology. 9 (520), (2018).
  36. Baillargeon, B., et al. Human cardiac function simulator for the optimal design of a novel annuloplasty ring with a sub-valvular element for correction of ischemic mitral regurgitation. Cardiovascular Engineering and Technology. 6 (2), 105-116 (2015).
  37. Sack, K. L., et al. Partial LVAD Restores Ventricular Outputs and Normalizes LV but not RV Stress Distributions in the Acutely Failing Heart in Silico. The International Journal of Artificial Organs. 39 (8), 421-430 (2016).
  38. Baumgartner, H., et al. Echocardiographic assessment of valve stenosis: EAE/ASE recommendations for clinical practice. Journal of the American Society of Echocardiography. 22 (1), 1-23 (2009).
  39. Rajani, R., Hancock, J., Chambers, J. The art of assessing aortic stenosis. Heart. 98, 14 (2012).
  40. Vahanian, A., et al. Guidelines on the management of valvular heart disease: The Task Force on the Management of Valvular Heart Disease of the European Society of Cardiology. European Heart Journal. 28 (2), 230-268 (2007).
  41. Matiwala, S., Margulies, K. B. Mechanical approaches to alter remodeling. Current Heart Failure Reports. 1 (1), 14-18 (2004).
  42. NIH Clinical Trials Registry. . ImCardia for DHF to Treat Diastolic Heart Failure (DHF) Patient a Pilot Study (ImCardia). , (2011).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video