Modélisation par paramètres regroupés et par éléments finis de l’insuffisance cardiaque avec fraction d’éjection préservée

Résumé

Ce travail présente deux modèles informatiques d’insuffisance cardiaque avec fraction d’éjection préservée basée sur une approche de paramètres regroupés et une analyse par éléments finis. Ces modèles sont utilisés pour évaluer les changements de l’hémodynamique du ventricule gauche et de la vascularisation connexe induite par la surcharge de pression et la conformité ventriculaire diminuée.

Résumé

Les efforts scientifiques dans le domaine de la modélisation informatique des maladies cardiovasculaires se sont largement concentrés sur l’insuffisance cardiaque avec fraction d’éjection réduite (HFrEF), négligeant largement l’insuffisance cardiaque avec la fraction d’éjection préservée (HFpEF), qui est plus récemment devenue une forme dominante d’insuffisance cardiaque dans le monde entier. Motivés par le manque des représentations in silico de HFpEF, deux modèles de calcul distincts sont présentés dans ce document pour simuler l’hémodynamique de HFpEF résultant de la surcharge ventriculaire gauche de pression. Tout d’abord, un modèle de paramètres groupés orienté objet a été développé à l’aide d’un solveur numérique. Ce modèle est basé sur un réseau de type Windkessel de dimension zéro (0D), qui dépend des propriétés géométriques et mécaniques des éléments constitutifs et offre l’avantage de faibles coûts de calcul. Deuxièmement, un progiciel d’analyse par éléments finis (FEA) a été utilisé pour la mise en œuvre d’une simulation multidimensionnelle. Le modèle FEA combine des modèles multiphysiques tridimensionnels (3D) de la réponse cardiaque électromécanique, des déformations structurelles et de l’hémodynamique basée sur la cavité fluide et utilise un modèle simplifié de paramètres regroupés pour définir les profils d’échange d’écoulement entre différentes cavités de fluide. Par chaque approche, les changements hémodynamiques aigus et chroniques du ventricule gauche et de la vascularisation proximale résultant de la surcharge de pression ont été avec succès simulés. Plus précisément, la surcharge de pression a été modélisée en réduisant la zone d’orifice de la valve aortique, tandis que le remodelage chronique a été simulé en réduisant la conformité de la paroi ventriculaire gauche. Compatibles avec la littérature scientifique et clinique de HFpEF, les résultats des deux modèles montrent (i) une élévation aiguë du gradient de pression transaortique entre le ventricule gauche et l’aorte et une réduction du volume de course et (ii) une diminution chronique du volume ventriculaire gauche fin-diastolique, indicatif du dysfonctionnement diastolique. Enfin, le modèle FEA démontre que le stress dans le myocarde HFpEF est remarquablement plus élevé que dans le tissu cardiaque sain tout au long du cycle cardiaque.

Introduction

L’insuffisance cardiaque est l’une des principales causes de décès dans le monde, qui se produit lorsque le cœur est incapable de pomper ou de se remplir adéquatement pour répondre aux exigences métaboliques du corps. La fraction d’éjection, c’est-à-dire la quantité relative de sang stockée dans le ventricule gauche qui est éjectée à chaque contraction est utilisée cliniquement pour classer l’insuffisance cardiaque en (i) insuffisance cardiaque avec fraction d’éjection réduite (HFrEF) et (ii) insuffisance cardiaque avec fraction d’éjection préservée (HFpEF), pour les fractions d’éjection inférieures ou supérieures à 45%, respectivement^1,

Protocole

1. Modèle de paramètres groupés 0D

1. Configuration de la simulation
   Remarque : dans l’environnement de solveur numérique (voir la table des matériaux),construisez le domaine comme indiqué dans Figure 1. Ceci se compose du coeur à 4 chambres, du corps supérieur, de l’abdominal, du corps inférieur, et des compartiments thoraciques, aussi bien que de la vascularisation proximale, y compris l’aorte, l’artère pulmonaire, et les veines supérieures et inférieures cavae. Les éléments standard utilisés dans cette simulation font partie de la bibliothèque hydraulique par défaut. Vous trouverez les détails dans les

Résultats

Les résultats des simulations de base sont illustrés à la figure 3. Ceci représente les formes d’onde de pression et de volume du ventricule gauche et de l’aorte(figure 3A)ainsi que de la boucle PV ventriculaire gauche(figure 3B). Les deux modèles in silico montrent l’hémodynamique ventriculaire aortique et gauche semblable, qui sont dans la gamme physiologique. Des différences mineures dans la réponse prédite par les.......

Discussion

Les plateformes de paramètres regroupés et de FEA proposées dans ce travail récapitulaient l’hémodynamique cardiovasculaire dans des conditions physiologiques, à la fois dans la phase aiguë de la surcharge de pression induite par la sténose et dans le HFpEF chronique. En saisissant le rôle que joue la surcharge de pression dans les phases aiguës et chroniques du développement de l’HFpEF, les résultats de ces modèles sont en accord avec la littérature clinique de l’HFpEF, y compris l’apparition d’u.......

matériels

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