Modellazione a parametro raggruppato e elemento finito dell'insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata

Riepilogo

Questo lavoro introduce due modelli computazionali di insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata basata su un approccio a parametro forfait e analisi degli elementi finiti. Questi modelli sono utilizzati per valutare i cambiamenti nell'emodinamica del ventricolo sinistro e la relativa vascolarizzazione indotta dal sovraccarico di pressione e dalla ridotta conformità ventricolare.

Abstract

Gli sforzi scientifici nel campo della modellazione computazionale delle malattie cardiovascolari si sono in gran parte concentrati sull'insufficienza cardiaca con ridotta frazione di espulsione (HFrEF), trascurando ampiamente l'insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata (HFpEF), che è diventata più recentemente una forma dominante di insufficienza cardiaca in tutto il mondo. Motivati dalla scarsità di HFpEF nelle rappresentazioni silico, in questo documento vengono presentati due distinti modelli computazionali per simulare l'emodinamica dell'HFpEF derivante dal sovraccarico di pressione ventricolare sinistro. In primo luogo, un modello a parametro raggruppato orientato agli oggetti è stato sviluppato utilizzando un risolutore numerico. Questo modello si basa su una rete a forma di Windkessel a dimensione zero (0D), che dipende dalle proprietà geometriche e meccaniche degli elementi costitutivi e offre il vantaggio di bassi costi computazionali. In secondo luogo, è stato utilizzato un pacchetto software di analisi degli elementi finiti (FEA) per l'implementazione di una simulazione multidimensionale. Il modello FEA combina modelli multifisica tridimensionali (3D) della risposta cardiaca elettromeccanica, deformazioni strutturali ed emodinamica basata sulla cavità fluida e utilizza un modello semplificato di parametro raggruppato per definire i profili di scambio del flusso tra diverse cavità del fluido. Attraverso ogni approccio, sono stati simulati con successo sia i cambiamenti emodinamici acuti che cronici nel ventricolo sinistro e nella vascuola prossimale risultanti dal sovraccarico di pressione. In particolare, il sovraccarico di pressione è stato modellato riducendo l'area dell'orifizio della valvola aortica, mentre il rimodellamento cronico è stato simulato riducendo la conformità della parete ventricolare sinistra. Coerentemente con la letteratura scientifica e clinica dell'HFpEF, i risultati di entrambi i modelli mostrano (i) un'elevazione acuta del gradiente di pressione transaortica tra il ventricolo sinistro e l'aorta e una riduzione del volume dell'ictus e (ii) una diminuzione cronica del volume ventricolare sinistro diastolico finale, indicativo di disfunzione diastolica. Infine, il modello FEA dimostra che lo stress nel miocardio HFpEF è notevolmente più elevato che nel tessuto cardiaco sano durante tutto il ciclo cardiaco.

Introduzione

L'insufficienza cardiaca è una delle principali cause di morte in tutto il mondo, che si verifica quando il cuore non è in grado di pompare o riempire adeguatamente per stare al passo con le esigenze metaboliche del corpo. La frazione di espulsione, cioè la quantità relativa di sangue immagazzinata nel ventricolo sinistro che viene espulso ad ogni contrazione viene utilizzata clinicamente per classificare l'insufficienza cardiaca in (i) insufficienza cardiaca con frazione di espulsione ridotta (HFrEF) e (ii) insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata (HFpEF), per frazioni di espulsione inferiori o superiori al 45%,^{rispettivamente 1<....}

Protocollo

1. Modello a parametro forfait 0D

1. Configurazione della simulazione
   NOTA: Nell'ambiente del risolutore numerico (vedere la tabella dei materiali), costruire il dominio come illustrato nella figura 1. Questo è composto dal cuore a 4 camere, dalla parte superiore del corpo, dall'addome, dalla parte inferiore del corpo e dai compartimenti toracici, così come dalla vascucolatura prossimale, tra cui l'aorta, l'arteria polmonare e la vena cavae superiore e inferiore. Gli elementi standard utilizzati in questa simulazione fanno parte della libreria idraulica predefinita. I dettagli sono disponibili nei file s....

Risultati

I risultati delle simulazioni di base sono illustrati nella figura 3. Ciò descrive le forme d'onda di pressione e volume del ventricolo sinistro e dell'aorta (Figura 3A) nonché il circuito fotovoltaico ventricolare sinistro (Figura 3B). I due modelli in silico mostrano un'emodinamica ventricolare aortica e sinistra simile, che si trovano all'interno dell'intervallo fisiologico. Piccole differenze nella risposta prevista dalle due .......

Discussione

Le piattaforme lumped-parameter e FEA proposte in questo lavoro hanno ricapitolazione l'emodinamica cardiovascolare in condizioni fisiologiche, sia nella fase acuta del sovraccarico di pressione indotto dalla stenosi che nell'HFpEF cronico. Catturando il ruolo che il sovraccarico di pressione svolge nelle fasi acute e croniche dello sviluppo HFpEF, i risultati di questi modelli sono in accordo con la letteratura clinica di HFpEF, inclusa l'insorgenza di un gradiente di pressione transaortica a causa della stenosi aortica.......

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
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