Lumped-Parameter och finite Element Modellering av hjärtsvikt med bevarad utmatningsfraktion

Vetenskapliga insatser inom beräkningsmodellering av hjärt-kärlsjukdomar har till stor del fokuserat på hjärtsvikt med minskad utstötningsfraktion (HFrEF), som i stort sett förbiser hjärtsvikt med bevarad utstötningsfraktion (HFpEF), som på senare tid har blivit en dominerande form av hjärtsvikt över hela världen. Motiverade av bristen på HFpEF i silico representationer, presenteras två distinkt beräkningsmodeller i detta dokument för att simulera hemodynamics av HFpEF som härrör från vänster Ventrikulärt tryck överbelastning. Först utvecklades en objektorienterad lumped-parameter modell med hjälp av en numerisk problemlösare. Denna modell är baserad på ett nolldimensionellt (0D) Windkessel-liknande nätverk, vilket beror på de geometriska och mekaniska egenskaperna hos de konstituerande elementen och erbjuder fördelen med låga beräkningskostnader. För det andra användes ett fea-programvarupaket (finite element analysis) för implementering av en flerdimensionell simulering. FEA-modellen kombinerar tredimensionella (3D) multifysikmodeller av det elektromekaniska hjärtsvaret, strukturella deformationer och vätskehålabaserad hemodynamik och använder en förenklad lumped-parametermodell för att definiera flödesutbytesprofilerna mellan olika vätskehålor. Genom varje tillvägagångssätt simulerades både de akuta och kroniska hemodynamic förändringarna i den vänstra ventrikel och proximala vaskulatur som härrör från tryck överbelastning framgångsrikt. Specifikt modellerades trycköverbelastning genom att minska öppningen av aortaventilen, medan kronisk ombyggnad simulerades genom att minska överensstämmelsen hos den vänstra ventrikulära väggen. Överensstämmer med den vetenskapliga och kliniska litteraturen i HFpEF, resultat från båda modellerna visar (i) en akut höjning av transaortic tryck gradient mellan den vänstra ventrikel och stora och en minskning av stroke volym och (ii) en kronisk minskning av slutet-diastolic vänstra Ventrikulärt volym, vägledande för diastolisk dysfunktion. Slutligen visar FEA-modellen att stress i HFpEF-hjärtmuskeln är anmärkningsvärt högre än i den friska hjärtvävnaden under hela hjärtcykeln.