Summary

מידול רכיבים מקופחים ואלמנטים סופיים של אי ספיקת לב עם שבר פליטה משומר

Published: February 13, 2021
doi:

Summary

עבודה זו מציגה שני מודלים חישוביים של אי ספיקת לב עם שבר פליטה משומר המבוסס על גישת פרמטר גוש וניתוח אלמנט סופי. מודלים אלה משמשים כדי להעריך את השינויים בהמודינמיקה של החדר השמאלי ואת כלי הדם הקשורים הנגרמת על ידי עומס לחץ ותאימות חדרית מופחתת.

Abstract

מאמצים מדעיים בתחום מידול חישובי של מחלות לב וכלי דם התמקדו בעיקר באי ספיקת לב עם שבר פליטה מופחת (HFrEF), המשקיף באופן נרחב על אי ספיקת לב עם שבר פליטה משומר (HFpEF), שהפך לאחרונה לצורה דומיננטית של אי ספיקת לב ברחבי העולם. מונע על ידי מחסור של HFpEF בייצוגים silico, שני מודלים חישוביים שונים מוצגים במאמר זה כדי לדמות את המודינמיקה של HFpEF הנובע עומס לחץ חדרי שמאלי. ראשית, פותח מודל פרמטרים גושיים מונחה אובייקטים באמצעות פותר מספרי. מודל זה מבוסס על רשת אפס מימדית (0D) דמוית Windkessel, התלויה בתכונות הגיאומטריות והמכניות של האלמנטים המכוננים ומציעה את היתרון של עלויות חישוביות נמוכות. שנית, חבילת תוכנה לניתוח אלמנטים סופיים (FEA) נוצלה ליישום סימולציה רב-ממדית. מודל FEA משלב מודלים תלת מימדיים (תלת מימדיים) של תגובת לב אלקטרו-מכנית, עיוותים מבניים ומודינמיקה מבוססת חלל נוזלים ומשתמש במודל פרמטרים פשוטים כדי להגדיר את פרופילי חילופי הזרימה בין חללי נוזלים שונים. באמצעות כל גישה, הן השינויים ההמודינמיים החריפים והכרוניים בחדר השמאלי והן בכלי הדם הפרוקסימליים הנובעים מעומס לחץ מדומים בהצלחה. באופן ספציפי, עומס לחץ היה מודל על ידי הפחתת שטח פתח של שסתום אבי העורקים, בעוד שיפוץ כרוני היה מדומה על ידי הפחתת התאימות של הקיר החדר השמאלי. בהתאם לספרות המדעית והקלינית של HFpEF, תוצאות משני הדגמים מראות (i) עלייה חדה של שיפוע לחץ טראנסאורטי בין החדר השמאלי לבין אבי העורקים וירידה בנפח השבץ ו-(ii) ירידה כרונית בנפח החדר השמאלי של סוף הדיאסטולי, המעידה על תפקוד דיאסטולי לקוי. לבסוף, מודל FEA מדגים כי הלחץ בשריר הלב HFpEF הוא גבוה להפליא מאשר ברקמת הלב בריא לאורך כל מחזור הלב.

Introduction

אי ספיקת לב היא הגורם המוביל למוות ברחבי העולם, אשר מתרחשת כאשר הלב אינו מסוגל לשאוב או למלא כראוי כדי לשמור על קשר עם הדרישות המטבוליות של הגוף. שבר הפליטה, כלומר, הכמות היחסית של הדם המאוחסן בחדר השמאלי הנפלט עם כל התכווצות משמש קלינית לסיווג אי ספיקת לב לאי ספיקת לב (i) עם שבר פליטה מופחת (HFrEF) ו- (ii) אי ספיקת לב עם שבר פליטה משומר (HFpEF), עבור שברי פליטה פחות או יותר מ – 45%, בהתאמה1,2,3. הסימפטומים של HFpEF מתפתחים לעתים קרובות בתגובה לעומס לחץ החדר השמאלי, אשר יכול להיגרם על ידי מספר תנאים כולל היצרות בחי העורקים, יתר לחץ דם, ואת חסימת דרכי זרימת החדר השמאלי3,4,5,6,7. עומס לחץ מניע מפל של סטיות מולקולריות ותאית, המוביל עיבוי של הקיר החדר השמאלי (שיפוץ קונצנטרי) ובסופו של דבר, להקשיח קיר או אובדן תאימות8,9,10. שינויים ביומכניים אלה משפיעים עמוקות על המודינמיקה קרדיווסקולרית כפי שהם גורמים מערכת יחסים מוגבהת של נפח הלחץ הסופי דיאסטולי ובהפחתה של נפח סוף דיאסטולי11.

מידול חישובי של מערכת הלב וכלי הדם קידם את ההבנה של לחץ דם וזרימות הן פיזיולוגיה ומחלות וטיפח את הפיתוח של אסטרטגיות אבחון וטיפול12. במודלים silico מסווגים מודלים נמוכים או גבוהים, עם לשעבר ניצול שיטות אנליטיות כדי להעריך תכונות המודינמיות גלובליות עם ביקוש חישובי נמוך והאחרון מתן תיאור רב-ממדי ורב-תחומי נרחב יותר של מכניקת לב וכלי דם המודינמיקה בתחום 2D או 3D13. ייצוג וינדקסל עם הפרמטרים הגושיים הוא הנפוץ ביותר בקרב התיאורים הנמוכים-ממדיים. בהתבסס על אנלוגיית המעגל החשמלי (חוק אוהם), זה מחקה את ההתנהגות המודינמית הכוללת של מערכת הלב וכלי הדם באמצעות שילוב של אלמנטים התנגדותיים, קיבוליים, השראתיים14. מחקר שנערך לאחרונה על ידי קבוצה זו הציע מודל וינדקסל חלופי בתחום ההידראולי המאפשר מידול של שינויים בגיאומטריה ומכניקה של תאי לב כלי גדולים ושסתומים- באופן אינטואיטיבי יותר מאשר מודלים אנלוגיים חשמליים מסורתיים. סימולציה זו מפותחת על פותר מספרי מונחה עצמים (ראה טבלה של חומרים) והוא יכול ללכוד את המודינמיקה נורמלית, השפעות פיזיולוגיות של צימוד cardiorespiratory, זרימת דם מונחה נשימה בפיזיולוגיה של לב אחד, ושינויים המודינמיים עקב התכווצות העורקים. תיאור זה מרחיב את היכולות של מודלים עם פרמטרים גושיים על ידי הצעת גישה אינטואיטיבית פיזית לדגם ספקטרום של תנאים פתולוגיים כולל אי ספיקת לב15.

מודלים מימדיים גבוהים מבוססים על FEA לחישוב המודינמיקה מרחבית ואינטראקציות מבנה נוזלים. ייצוגים אלה יכולים לספק תיאורים מפורטים ומדויקים של שדה זרימת הדם המקומי; עם זאת, בשל היעילות החישובית הנמוכה שלהם, הם אינם מתאימים למחקרים של עץ הלב וכלי הדם כולו16,17. חבילת תוכנה (ראה טבלת החומרים)הועסקה כפלטפורמת FEA מדויקת אנטומית של הלב האנושי הבוגר בן 4 התאים, המשלבת את התגובה האלקטרו-מכנית, העיוותים המבניים וההמודינמיקה המבוססת על חלל נוזלים. מודל הלב האנושי המותאם כולל גם מודל פשוט של פרמטרים גושיים המגדיר את חילופי הזרימה בין חללי הנוזלים השונים, כמו גם אפיון מכני מלא של רקמת הלב18,19.

מספר מודלים של אי ספיקת לב גובשו כדי ללכוד חריגות המודינמיות ולהעריך אסטרטגיות טיפוליות, במיוחד בהקשר של מכשירי סיוע מכניים במחזור הדם עבור HFrEF20,21,22,23,24. מערך רחב של מודלים 0D גושי פרמטרים של מורכבויות שונות ולכן בהצלחה כבש את המודינמיקה של הלב האנושי בתנאים פיזיולוגיים ו HFrEF באמצעות אופטימיזציה של שתיים או שלושה אלמנטים אנלוגי חשמלי Windkessel מערכות20,21,23,24. רוב הייצוגים הללו הם מודלים יוניים או דו-חדריים המבוססים על ניסוח זמן משתנה-elastance כדי לשחזר את הפעולה ההתכווצות של הלב ולהשתמש ביחסי נפח לחץ לא ליניארי סוף דיאסטולי כדי לתאר מילוי חדרי25,26,27. מודלים מקיפים, הלוכדים את רשת הלב וכלי הדם המורכבת ומחקים הן את פעולת השאיבה האסטראלית והן את פעולת השאיבה בחדר, שימשו כפלטפורמות לבדיקות מכשירים. עם זאת, למרות גוף משמעותי של ספרות קיים סביב השדה של HFrEF, מעט מאוד במודלים silico של HFpEF הוצעו20,22,28,29,30,31.

מודל מימדי נמוך של המודינמיקה HFpEF, שפותחה לאחרונה על ידי Burkhoff et al.32 ו Granegger et al.28, יכול ללכוד את נפח הלחץ (PV) לולאות של הלב 4 תאים, סיכום מלא של המודינמיקה של פנוטיפים שונים של HFpEF. יתר על כן, הם מנצלים שלהם בפלטפורמת silico כדי להעריך את ההיתכנות של מכשיר מחזור הדם מכני עבור HFpEF, מחקר חישובי חלוצי של HFpEF למחקרים פיזיולוגיים, כמו גם פיתוח מכשיר. עם זאת, מודלים אלה אינם מסוגלים ללכוד את השינויים הדינמיים בזרימות הדם ואת הלחצים שנצפו במהלך התקדמות המחלה. מחקר שנערך לאחרונה על ידי Kadry et al.30 לוכד את הפנוטיפים השונים של תפקוד דיאסטולי על ידי התאמת הרפיה פעילה של שריר הלב ואת הנוקשות הפסיבית של החדר השמאלי על מודל מימדי נמוך. עבודתם מספקת ניתוח המודינמי מקיף של תפקוד דיאסטולי המבוסס הן על המאפיינים הפעילים והן על המאפיינים הפסיביים של שריר הלב. באופן דומה, הספרות של מודלים מימדיים גבוהים התמקדה בעיקר HFrEF19,33,34,35,36,37. Bakir et al.33 הציע דגם FEA של נוזל לב משולב במלואו כדי לחזות את הפרופיל המודינמי HFrEF ואת היעילות של מכשיר סיוע חדרי שמאלי (LVAD). מודל דו-חדרי זה (או דו-תאי) השתמש במעגל וינדקסל משולב כדי לדמות את המודינמיקה של הלב הבריא, HFrEF ו- HFrEF עם תמיכה LVAD33,37.

באופן דומה, סאק ואח ‘35 פיתחו מודל דו-חדרי כדי לחקור תפקוד לקוי של חדרי ימין. הגיאומטריה הדו-חדרית שלהם התקבלה מנתוני הדמיית התהודה המגנטית (MRI) של המטופל, ורשת היסוד הסופית של הדגם נבנתה באמצעות פילוח תמונה כדי לנתח את המודינמיקה של חדר ימני כושל35הנתמך על ידי VAD . ארבעה תאים FEA גישות לב פותחו כדי לשפר את הדיוק של מודלים של ההתנהגות האלקטרומכנית של הלב19,34. בניגוד לתיאורים דו-חדריים, מודלים של ארבעה תאים שמקורם ב- MRI של הלב האנושי מספקים ייצוג טוב יותר של האנטומיה הקרדיווסקולרית18. מודל הלב המועסקים בעבודה זו הוא דוגמה מבוססת למודל FEA בן ארבעה תאים. שלא כמו מודלים FEA עם פרמטרים גושיים וביונטריקולריים, ייצוג זה לוכד שינויים המודינמיים כפי שהם מתרחשים במהלך התקדמות המחלה34,37. Genet et al.34, למשל, השתמש באותה פלטפורמה כדי ליישם מודל צמיחה מספרי של השיפוץ שנצפה ב- HFrEF ו- HFpEF. עם זאת, מודלים אלה להעריך את ההשפעות של היפרטרופיה לב על מכניקה מבנית בלבד ואינם מספקים תיאור מקיף של המודינמיקה הקשורים.

כדי לטפל בהיעדר HFpEF במודלים silico בעבודה זו, מודל הפרמטרים גוש שפותח בעבר על ידי קבוצה זו15 ואת מודל FEA נקראו מחדש כדי לדמות את הפרופיל המודינמי של HFpEF. למטרה זו, היכולת של כל דגם לדמות המודינמיקה לב וכלי דם בבסיס תודגם לראשונה. ההשפעות של היצרות הנגרמת על ידי היצרות עומס לחץ חדרי שמאלי של ציות חדרי שמאל מופחת עקב שיפוץ לב-סימן היכר טיפוסי של HFpEF-לאחר מכן יוערך.

Protocol

1. מודל 0D עם פרמטרים גושיים כיוונון הדמיההערה: בסביבת פותר המספרים (ראו טבלת החומרים),בנו את התחום כפי שמוצג באיור 1. זה מורכב מהלב בן 4 התאים, פלג הגוף העליון, הבטן, פלג הגוף התחתון ותאי בית החזה, כמו גם את כלי הדם הפרוקסימליים, כולל כאבי העורקים, עורק הריאה וקא?…

Representative Results

תוצאות הסימולציות הבסיסיות מודגמות באיור 3. זה מתאר את צורות הגל של הלחץ והנפח של החדר השמאלי ושל אב העורקים (איור 3A)כמו גם את לולאת PV החדר השמאלית (איור 3B). השניים במודלים של סיליקו מראים המודינמיקה דומה של חדרי העורקים והשמאל, שנמצאים בטווח ?…

Discussion

הפרמטר הגושי ופלטפורמות FEA המוצעות בעבודה זו כינסו מחדש את המודינמיקה קרדיווסקולרית בתנאים פיזיולוגיים, הן בשלב החריף של עומס לחץ הנגרם על ידי היצרות והן ב- HFpEF כרוני. על ידי לכידת התפקיד כי עומס לחץ ממלא בשלבים החריפים והכרוניים של פיתוח HFpEF, התוצאות של מודלים אלה מסכימים עם הספרות הקלינית…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מכירים במימון של תוכנית מדעי הבריאות והטכנולוגיה של המכון הטכנולוגי למדעי הבריאות והטכנולוגיה של הרווארד-מסצ’וסטס, ואת פרס קרן SITA מהמכון להנדסה רפואית ומדע.

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