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

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.