与保留的弹射分数一起进行心力衰竭的隆起参数和有限元素建模

Summary

本工作引入了两种心力衰竭计算模型，根据一个组合参数方法和有限元素分析，保留了弹射分数。这些模型用于评估左心室血动力学和压力过载和心室顺从性降低引起的相关血管学的变化。

Abstract

心血管疾病计算建模领域的科学工作主要集中在心力衰竭上，其弹出分数（HFrEF）减少，广泛忽略心力衰竭，保留弹射分数（HFpEF），而心力衰竭最近已成为全世界心力衰竭的主要形式。本文以 HFpEF在硅化 表示中的不足为动力，提出了两个不同的计算模型，以模拟左心室压力过载导致的HFpEF的血学。首先，使用数字解算器开发了面向对象的块状参数模型。此模型基于一个零维 （0D） Windkessel 样网络，该网络依赖于构成元素的几何和机械特性，并具有较低的计算成本的优势。其次，利用有限元素分析（FEA）软件包实施多维模拟。FEA 模型结合了机电心脏反应、结构变形和流体腔基血动学的三维 （3D） 多物理模型，并利用简化的块状参数模型定义不同流腔之间的流量交换图。通过每种方法，成功地模拟了左心室的急性和慢性血动力学变化以及压力超载引起的近部血管变化。具体来说，压力超载是通过减少主动脉瓣的孔面积来模拟的，而慢性改造则通过降低左心室壁的顺从性来模拟。与 HFPEF 的科学和临床文献一致，这两个模型的结果表明 （i） 左心室和主动脉之间的间质压力梯度急性升高，中风体积减少：（ii） 末期舒张左心室体积长期下降，表明舒张功能障碍。最后，FEA 模型表明，HFPEF 心肌梗塞中的压力明显高于整个心脏周期的健康心脏组织。

Introduction

心力衰竭是全世界的主要死因，当心脏无法充分泵送或填充以跟上身体的代谢需求时，就会发生心力衰竭。弹射分数，即随每次收缩而喷出的左心室中储存的相对量的血液，用于临床上将心力衰竭分类为（一）心力衰竭，减少弹射分数（HFrEF）和（ii） 心力衰竭，保留弹射分数（HFpEF），弹射分数小于或大于45%，分别为^1、2、3。HFPEF的症状往往发展为对左心室压力过载的反应，这可能由几个条件，包括主动脉狭窄，高血压，和左心室外流道阻塞^{3，4，5，6，7}引起。压力过载驱动分子和细胞畸变的级联，导致左心室壁变厚（同心改造），并最终导致壁硬化或失去符合性^{8，9，10。}这些生物力学变化深刻地影响心血管血动力学，因为它们导致升高的末端舒张压力量关系，并减少末舒张体积^11。

心血管系统的计算建模增进了对生理和疾病中血压和流动的了解，促进了诊断和^{治疗策略的发展}。在硅基模型中分为低维或高维模型，前者利用分析方法评估全球血动力学特性，计算需求低，后者在2D或3D领域¹³中对心血管力学和造血学进行更广泛的多尺度和多物理描述。在低维描述中，块状参数温德塞尔表示最为常见。基于电路类比（Ohm定律），它通过电阻、电容和感应元素¹⁴的组合，模仿心血管系统的整体血动力学行为。这个小组最近的一项研究提出了一个在液压领域的另一种Windkessel模型，它允许比传统的电气模拟模型更直观地模拟大型血管心脏室和阀门的几何形状和力学的变化。这种模拟是在面向物体的数字解算器（见材料表）上开发的，可以捕获正常的血液学、心肺耦合的生理效应、单心生理学中呼吸驱动的血流以及主动脉收缩引起的血液动力学变化。这种描述扩展了混杂参数模型的能力，提供了一个物理直观的方法模型的病理条件，包括心力衰竭^15。

高维模型基于 FEA 来计算空间力血像学和流体结构相互作用。这些陈述可以提供当地血流场的详细和准确的描述：然而，由于计算效率低，它们不适合研究整个心血管树^16，17。软件包（见材料表）被用作4室成人心脏的解剖学上精确的FEA平台，该平台集成了机电反应、结构变形和基于流体腔的血液动力学。经过改造的人类心脏模型还包括一个简单的块状参数模型，定义不同流体腔之间的流动交换，以及心脏组织^18，19的完整机械特征。

已制定出若干心力衰竭的分块参数和FEA模型，以捕捉血型异常并评估治疗策略，特别是在HFrEF^{20、21、22、23、24}的机械循环辅助装置方面。因此，通过优化两个或三个元素的电模拟Windkessel系统^{20、21、23、24，}广泛谱系各种复杂性的0D块状参数模型，成功地捕捉到了人类心脏在生理和HFREF条件下的血液学。这些表示大部分是单或双心室模型，基于时间变化的弹性配方，以重现心脏的收缩作用，并使用非线性末端舒张压力体积关系来描述心室填充^{25，26，27。}综合模型，捕捉复杂的心血管网络，模仿心室和心室泵送动作，已被用作设备测试的平台。然而，虽然在HFREF领域存在着大量的文献，但很少有关于HFPEF的西里科模型被提出20、22、28、29、30、31。

Burkhoff等人最近开发的HFPEF血动力学低维模型，由Burkhoff等人^和Gra内格尔等人²⁸等人开发，可以捕捉4腔心脏的压力体积（PV）循环，完全概括HFPEF各种表型的造血学。此外，他们还利用自身平台评估HFPEF机械循环装置的可行性，开创性HFPEF计算研究的生理学研究和设备开发。然而，这些模型仍然无法捕捉到疾病进展期间观察到的血流量和压力的动态变化。Kadry等人最近进行的一项研究通过调整心肌的主动松弛和左心室在低维模型上的被动刚^度来捕捉舒张功能障碍的各种表型。他们的工作提供了基于心肌的主动性和被动特性的舒张功能障碍的综合血动力学分析。同样，高维模型的文献主要集中在HFREF 19、33、34、35、36、37上。巴基尔等人³³日提出了一个完全耦合的心脏流体-机电FEA模型，以预测HFrEF血液动力学特征和左心室辅助装置（LVAD）的功效。这个双室（或两室）模型利用一个耦合的温德塞尔电路模拟健康心脏的血学，HFrEF和HFrEF与LVAD支持^33，37。

同样，Sack等人³⁵开发了一个双室模型来研究右心室功能障碍。他们的双心室几何学是从患者的磁共振成像（MRI）数据中获得的，模型的有限元元网是利用图像分割来分析VAD支持的右心室³⁵故障的血动力学。已开发出四室FEA心脏方法，以提高心脏^19、34的机电行为模型的准确性。与双心室描述相比，MRI衍生的人类心脏四室模型提供了心血管解剖¹⁸的更好表现。这项工作中采用的心脏模型是四室 FEA 模型的既定示例。与分块参数和双心室FEA模型不同，此表示捕捉血动力学变化，因为它们发生在疾病进展^34，37。例如，Genet等人³⁴使用同一平台对在HFrEF和HFPEF中观察到的改造实施数字增长模型。然而，这些模型只评估心脏肥大对结构力学的影响，并没有提供相关的血动学的全面描述。

为了解决本作品中硅胶模型中缺乏 HFPEF 的问题，对本组¹⁵ 和 FEA 模型之前开发的块状参数模型进行了重新填充，以模拟 HFPEF 的血学轮廓。为此，将首先展示每个模型在基线上模拟心血管血学的能力。然后评估狭窄引起的左心室压力超载和心脏改造导致左心室顺从性降低的影响，这是 HFPEF 的典型标志。

Protocol

1. 0D 混块参数模型 模拟设置注：在数字解算器环境中（参见 材料表），构建 图 1中所示的域。它由4腔心脏、上半身、腹部、下半身和胸腔以及近部血管组成，包括主动脉、肺动脉以及上半身和下静脉腔。此模拟中使用的标准元素是默认液压库的一部分。详细信息可以在 补充文件中找到。 浏览液压库以查找所需的元素：液压管道、…

Representative Results

基线模拟的结果在第 3 图中说明。这描绘了左心室和主动脉（图3A）的压力和体积波形，以及左心室光伏循环（图3B）。西里科模型中的两个显示类似的主动脉和左心室血液动力学，这是在生理范围内。在心室排空和填充阶段，可以注意到两个平台预测的反应小差异，与分块参数平台相比，FEA 模型可以更好地捕获非线性。在生理?…

Discussion

本著作中提出的肿块参数和FEA平台在生理条件下，无论是在狭窄引起的压力超载的急性阶段，还是在慢性HFpEF中，都重新概括了心血管血液学。通过捕捉压力过载在HFPEF发展的急性和慢性阶段所起的作用，这些模型的结果与HFPEF的临床文献一致，包括主动脉狭窄引起的转主动脉压力梯度开始，左心室压力增加，以及壁硬化⁴¹导致末期舒张体积减少。此外，此 FEA 模型能够捕获整个心…

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