Lumped-Parameter- und Finite-Elemente-Modellierung von Herzinsuffizienz mit konservierter Auswurffraktion

Zusammenfassung

Diese Arbeit stellt zwei Computermodelle der Herzinsuffizienz mit konservierter Auswurffraktion vor, die auf einem Lumped-Parameter-Ansatz und einer Finite-Elemente-Analyse basieren. Diese Modelle werden verwendet, um die Veränderungen in der Hämodynamik des linken Ventrikels und der damit verbundenen Vaskulatur zu bewerten, die durch Drucküberlastung und verminderte ventrikuläre Compliance induziert werden.

Zusammenfassung

Die wissenschaftlichen Bemühungen auf dem Gebiet der computergestützten Modellierung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen haben sich weitgehend auf Herzinsuffizienz mit reduzierter Ejektionsfraktion (HFrEF) konzentriert und dabei die Herzinsuffizienz mit konservierter Ejektionsfraktion (HFpEF) weitgehend übersehen, die in jüngster Zeit weltweit zu einer dominanten Form der Herzinsuffizienz geworden ist. Motiviert durch den Mangel an HFpEF-in-silico-Darstellungen werden in diesem Artikel zwei verschiedene Rechenmodelle vorgestellt, um die Hämodynamik von HFpEF zu simulieren, die sich aus einer linksventrikulären Drucküberlastung ergibt. Zunächst wurde ein objektorientiertes Lumped-Parameter-Modell mit einem numerischen Solver entwickelt. Dieses Modell basiert auf einem nulldimensionalen (0D) Windkessel-ähnlichen Netzwerk, das von den geometrischen und mechanischen Eigenschaften der konstitutiven Elemente abhängt und den Vorteil geringer Rechenkosten bietet. Zweitens wurde ein Softwarepaket zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) für die Implementierung einer mehrdimensionalen Simulation verwendet. Das FEA-Modell kombiniert dreidimensionale (3D) multiphysikalische Modelle der elektromechanischen Herzreaktion, struktureller Verformungen und fluidkavitätenbasierter Hämodynamik und verwendet ein vereinfachtes Lumped-Parameter-Modell, um die Strömungsaustauschprofile zwischen verschiedenen Flüssigkeitshohlräumen zu definieren. Durch jeden Ansatz konnten sowohl die akuten als auch die chronischen hämodynamischen Veränderungen im linken Ventrikel und im proximalen Gefäßsystem infolge einer Drucküberlastung erfolgreich simuliert werden. Insbesondere wurde die Drucküberlastung durch Verringerung der Öffnungsfläche der Aortenklappe modelliert, während die chronische Umgestaltung simuliert wurde, indem die Compliance der linksventrikulären Wand verringert wurde. In Übereinstimmung mit der wissenschaftlichen und klinischen Literatur von HFpEF zeigen die Ergebnisse beider Modelle (i) eine akute Erhöhung des transaortalen Druckgradienten zwischen dem linken Ventrikel und der Aorta und eine Verringerung des Schlaganfallvolumens und (ii) eine chronische Abnahme des enddiastolischen linksventrikulären Volumens, was auf eine diastolische Dysfunktion hinweist. Schließlich zeigt das FEA-Modell, dass der Stress im HFpEF-Myokard während des gesamten Herzzyklus bemerkenswert höher ist als im gesunden Herzgewebe.

Einleitung

Herzinsuffizienz ist weltweit eine der häufigsten Todesursachen, die auftritt, wenn das Herz nicht in der Lage ist, ausreichend zu pumpen oder zu füllen, um mit den metabolischen Anforderungen des Körpers Schritt zu halten. Die Auswurffraktion, d.h. die relative Menge an Blut, die im linken Ventrikel gespeichert ist und bei jeder Kontraktion ausgestoßen wird, wird klinisch verwendet, um Herzinsuffizienz in (i) Herzinsuffizienz mit reduzierter Ejektionsfraktion (HFrEF) und (ii) Herzinsuffizienz mit konservierter Ejektionsfraktion (HFpEF) für Auswurffraktionen von weniger als oder mehr als 45% bzw.^1,2,

Protokoll

1. 0D-Lumped-Parameter-Modell

1. Simulationsaufbau
   HINWEIS: In der numerischen Gleichungslöserumgebung (siehe Materialtabelle)konstruieren Sie die Domäne wie in Abbildung 1dargestellt. Diese besteht aus dem 4-Kammer-Herz, dem Oberkörper, dem Bauch,Demte und Thoraxkompartiment sowie dem proximalen Gefäß, einschließlich der Aorta, der Lungenarterie und der oberen und unteren Venae cavae. Die in dieser Simulation verwendeten Standardelemente sind Teil der hydraulischen Standardbibliothek. Details finden Sie in den Ergänzenden Dateien.
   1. Navigieren Sie durch die Hydraulikbibliothek, um die erf....

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Baseline-Simulationen sind in Abbildung 3 dargestellt. Diese stellt die Druck- und Volumenwellenformen des linken Ventrikels und der Aorta (Abbildung 3A) sowie der linksventrikulären PV-Schleife (Abbildung 3B) dar. Die beiden In-silico-Modelle zeigen eine ähnliche Aorten- und linksventrikuläre Hämodynamik, die im physiologischen Bereich liegt. Geringfügige Unterschiede in der von den beiden Plattformen vorher.......

Diskussion

Die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Lumped-Parameter- und FEA-Plattformen rekapitulierten die kardiovaskuläre Hämodynamik unter physiologischen Bedingungen, sowohl in der akuten Phase der Stenose-induzierten Drucküberlastung als auch bei chronischem HFpEF. Durch die Erfassung der Rolle, die Drucküberlastung in den akuten und chronischen Phasen der HFpEF-Entwicklung spielt, stehen die Ergebnisse dieser Modelle in Übereinstimmung mit der klinischen Literatur von HFpEF, einschließlich des Beginns eines transaortalen .......

Materialien

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