보존된 배출 분수로 심부전의 덩어리 매개변수 및 유한 원소 모델링

요약

이 작품은 일괄 매개 변수 접근 방식과 유한 요소 분석을 기반으로 보존 된 배출 분획을 가진 심부전의 두 가지 계산 모델을 소개합니다. 이러한 모델은 압력 과부하 및 심실 규정 준수 감소에 의해 유도된 좌심실 및 관련 혈관의 혈역학적 변화를 평가하는 데 사용됩니다.

초록

심혈관 질환의 전산 모델링 분야의 과학적 노력은 주로 감소 된 배출 분수 (HFrEF)와 심장 마비에 초점을 맞추고있다, 광범위하게 보존 배출 분수와 심부전을 간과 (HFpEF), 이는 최근에 전 세계적으로 심장 마비의 지배적 인 형태가되고있다. 실리코 표현에서 HFpEF의 빈약성에 의해 동기를 부여, 두 개의 별개의 계산 모델은 왼쪽 심실 압력 과부하로 인한 HFpEF의 혈역학을 시뮬레이션하기 위해이 논문에 제시된다. 먼저, 숫자 솔버를 사용하여 객체 지향 덩어리 매개변수 모델을 개발했다. 이 모델은 구성 요소의 기하학적 및 기계적 특성에 따라 달라지며 낮은 계산 비용의 이점을 제공하는 0차원 (0D) Windkessel과 같은 네트워크를 기반으로합니다. 둘째, FEA(유한 요소 분석) 소프트웨어 패키지가 다차원 시뮬레이션의 구현을 위해 활용되었다. FEA 모델은 전기 기계 심장 반응, 구조 변형 및 유체 캐비티 기반 혈역학의 3차원 (3D) 다중 물리학 모델을 결합하고 단순화 된 덩어리 파라미터 모델을 사용하여 다양한 유체 충치 간의 유량 교환 프로파일을 정의합니다. 각 접근법을 통해, 압력 과부하로 인한 좌심실및 근위 혈관의 급성 및 만성 혈역학적 변화가 성공적으로 시뮬레이션되었습니다. 특히, 압력 과부하는 대동맥 판막의 오리피스 면적을 감소시킴으로써 모델링되었으며, 만성 리모델링은 좌심실 벽의 준수를 줄임으로써 시뮬레이션되었다. HFpEF의 과학적 및 임상 문헌과 일치, 두 모델의 결과 (i) 왼쪽 심실과 대동맥 사이의 경질 압력 그라데이션의 급성 고도 및 뇌졸중 볼륨의 감소와 (ii) 말기 확장기 왼쪽 심실 볼륨의 만성 감소, 확장기 기능 장애를 나타내는. 마지막으로, FEA 모델은 HFpEF 심근의 스트레스가 심장 주기 전반에 걸쳐 건강한 심장 조직보다 현저하게 높다는 것을 보여줍니다.

서문

심부전은 전 세계적으로 사망의 주요 원인이며, 심장이 신체의 대사 요구를 따라잡기 위해 적절하게 펌핑하거나 채울 수 없을 때 발생합니다. 배출 분획, 즉, 각 수축으로 배출되는 좌심실에 저장된 혈액의 상대적 양은 임상적으로 (i) 심부전으로 심부전을 감소시키는 심부전(HFrEF) 및 (ii) 심부전을 보존된 배출 분획(HFpEF)으로 분류하는 데 임상적으로^{사용되며,}각각 45% 미만또는 45%^미만의배출 분획을 위해,^35%이상 배출분획을 발생시키는 데 사용됩니다. HFpEF의 증상은 종종 좌심실 압력 과부하에 대한 응답으로 발생하며, 이는 대동맥 협착증, 고혈압 및 좌심실 유출로 방해^3,4,5,6,7을포함한 여러 조건에 의해 유발될 수 있다. 압력 과부하는 분자 및 세포 수차의 폭포를 구동하여 왼쪽 심실 벽 (동심 리모델링)의 두껍게 하고 궁....

프로토콜

1. 0D 덩어리 매개변수 모델

1. 시뮬레이션 설정
   참고: 숫자 솔버 환경에서(재료 표참조)에서 도 1에도시된 대로 도메인을 구성합니다. 이는 대동맥, 폐동맥, 우수하고 열등한 정맥캐바에 등 근위혈관뿐만 아니라 4챔버 심장, 상반부, 하체 및 흉부 구획으로 구성된다. 이 시뮬레이션에 사용되는 표준 요소는 기본 유압 라이브러리의 일부입니다. 자세한 내용은 보충 파일에서찾을 수 있습니다.
   1. 유압 파이프라인, 일정한 볼륨 유압 챔버, 선형 저항, 원심 펌프, 체크 밸브, 가변 영역 오리피스 및 사용자 정의 유압 유체 : 유압 라이브러리를 탐색하여 필요한 요소를 찾습니다.
      1. 유압 파이프라인 요소를 작업 공간에 놓습니다.
         참고: 이들은 혈관과 심장 실에 있는 벽 규정 준수 및 액체 압축성 뿐만 아니라 마찰 손실을 설명합니다. 이 블록을 통해 압력 손실은 Darcy-Weisbach 법을 사용하여 계산되는 반면 벽 준수로 인한 직경 의 변화는 규정 준수 비례 상수, 발광 압력 및 시간 상수에 따라 달라집니다. 마지막으로 유체 압축성은 매체의 벌크 계수에 의해 정의됩니다.
      2. 일정한 볼륨 유압 챔버 요소를 삽입하여 벽 준수 및....

결과

기준선 시뮬레이션의 결과는 그림 3에설명되어 있습니다. 이는 좌심실 및 대동맥(도3A)의압력 및 부피 파형뿐만 아니라 좌심실 PV루프(도 3B)를묘사한다. 실리코 모델의 두 가지는 생리 범위 내에 있는 유사한 대동맥 및 좌심실 혈역학을 보여줍니다. 두 플랫폼에서 예측한 응답의 사소한 차이는 일괄 매개 변수 플랫폼에 비해 FEA 모?.......

토론

이 작업에서 제안된 덩어리 매개 변수 및 FEA 플랫폼은 생리적 조건 하에서 심혈관 혈역학을 재구성, 협착 유도 압력 과부하의 급성 단계에서 모두 만성 HFpEF. HFpEF 개발의 급성 및 만성 단계에서 압력 과부하가 수행하는 역할을 포착함으로써, 이러한 모델의 결과는 대동맥 협착증으로 인한 경질 압력 그라데이션의 발병, 좌심실 압력의 증가 및 벽 수축으로 인한 최종 투이통 볼륨의 감소를 포함하여.......

자료

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