[論文レビュー] A comprehensive and biophysically detailed computational model of the whole human heart electromechanics

Marco Fedele, Roberto Piersanti+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Cardiovascular Function and Risk Factors被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、心房および心室収縮を閉ループ循環系と統合した、生体物理学的に詳細な全心臓電機械的モデルを提示する。高度な数値スキームとフィードバック機構を用いて、圧力-体積ループ、変形、血行動態の面で、類例なき生理学的正確性を達成している。本モデルは、マルチスケール物理学と安定かつ高精度なシミュレーションを統合することで、心臓デジタルツインの新基準を確立する。

ABSTRACT

While ventricular electromechanics is extensively studied, four-chamber heart models have only been addressed recently; most of these works however neglect atrial contraction. Indeed, as atria are characterized by a complex physiology influenced by the ventricular function, developing computational models able to capture the physiological atrial function and atrioventricular interaction is very challenging. In this paper, we propose a biophysically detailed electromechanical model of the whole human heart that considers both atrial and ventricular contraction. Our model includes: i) an anatomically accurate whole-heart geometry; ii) a comprehensive myocardial fiber architecture; iii) a biophysically detailed microscale model for the active force generation; iv) a 0D closed-loop model of the circulatory system; v) the fundamental interactions among the different core models; vi) specific constitutive laws and model parameters for each cardiac region. Concerning the numerical discretization, we propose an efficient segregated-intergrid-staggered scheme and we employ recently developed stabilization techniques that are crucial to obtain a stable formulation in a four-chamber scenario. We are able to reproduce the healthy cardiac function for all the heart chambers, in terms of pressure-volume loops, time evolution of pressures, volumes and fluxes, and three-dimensional cardiac deformation, with unprecedented matching (to the best of our knowledge) with the expected physiology. We also show the importance of considering atrial contraction, fibers-stretch-rate feedback and suitable stabilization techniques, by comparing the results obtained with and without these features in the model. The proposed model represents the state-of-the-art electromechanical model of the iHEART ERC project and is a fundamental step toward the building of physics-based digital twins of the human heart.

研究の動機と目的

• 心房および心室の電気力学を捉える、人間の全心臓を対象とした包括的で生体物理学的に詳細な計算モデルの開発を目的とする。
• 過去のモデルでしばしば無視される複雑な心房解剖とその生理的役割を、モデル化する課題に取り組む。
• 高度な安定化技術と分離型インターグリッドステッピングスキームを用いて、4心腔シミュレーションにおける数値的安定性と正確性を確保する。
• 現実的な圧力-体積ループ、変形、血行動態フラックスを伴う、高精度な心周期シミュレーションを可能にする。
• 統合的マルチスケール・マルチフィジックスモデリングを通じて、物理ベースのヒト心臓デジタルツインの基盤を構築する。

提案手法

• 医用画像から得られた解剖学的に正確な全心臓ジオメトリを用い、心房、心室、非伝導性構造に対して領域別に特徴付けられた構成則を適用する。
• 膜電位ダイナミクスとカルシウム駆動収縮を含む、生体物理学的に詳細なミクロスケールの活性力生成モデルを組み込む。
• 0次元の閉ループ循環系モデルを機械的モデルと完全に結合し、現実的な血行動態フィードバックを可能にする。
• 機械的電気フィードバックや繊維伸長/伸長速度フィードバックといった、生理学的リアリズムを向上させる重要なフィードバック機構を含む。
• 新規の分離型インターグリッドステッピング有限要素スキームを採用し、循環および繊維伸長速度フィードバックのための安定化技術を適用して、数値的安定性を確保する。
• 大規模非線形システムの効率的解法のため、高次時間積分法（BDF1/BDF2）とプリコンディショニング付き反復解法（GMRES/CG に AMG を組み合わせたもの）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に結合された、生体物理学的に詳細な全心臓電機械的モデルは、健康な生理学的圧力-体積ループおよび変形パターンを、極めて高い正確性で再現できるか？
• RQ2 全心臓シミュレーションにおいて、心房収縮を組み込むことで、血行動態的性能および心室充満ダイナミクスにどのような影響が生じるか？
• RQ3 繊維伸長速度フィードバックおよび数値的安定化技術は、4心腔心臓シミュレーションの安定性と生理学的忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 領域別に特徴付けられた材料特性および解剖学的複雑性を組み込むことで、モデルの生理学的妥当性はどの程度向上するか？
• RQ5 統合的マルチスケール・マルチフィジックスモデルは、全心臓のすべての心腔において、安定的かつ正確に心周期全体をシミュレートできるか？

主な発見

• 本モデルは、心房における八の字型圧力-体積ループを含め、生理学的ベンチマークと類例なき一致を示し、健康な心機能を再現した。
• 心房収縮の組み込みにより、心室充満およびストロークボリュームの正確性が顕著に向上し、終期拡張期体積が臨床的期待値と一致した。
• 繊維伸長速度フィードバックは、そうでない場合に生じる非生理的かつ大きな血液フラックスを防ぐために不可欠である。
• 提案された安定化数値スキームにより、4心腔設定下での全心周期の安定シミュレーションが可能となり、過去のモデルが直面した主な課題を克服した。
• 本モデルは、全心臓の各心腔において、時間的に変化する圧力、体積、3次元的変形を高精度に再現し、既知の生理学的数値と定量的に一致した。
• 領域別パラメータおよび構成則の使用により、左心房・右心房・左心室・右心室および弁のすべてで現実的な機械的挙動が得られた。