[論文レビュー] An electromechanics-driven fluid dynamics model for the simulation of the whole human heart

Alberto Zingaro, Michele Bucelli+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2023

Cardiac electrophysiology and arrhythmias参考文献 132被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、解剖学的に正確な幾何学を用いたナビエ＝ストークスに基づくCFDシミュレーションとキャリブレーション済みのRDQ20活性化モデルを統合した、全心臓を対象とした高精度な4心腔電気機械的駆動型流体動力学モデルを提示する。このモデルは生理的血行動態を正確に再現し、左脚ブランンチブロックにおける遅れ発射や壁せん断応力の上昇といった病理的変化を予測し、マクロスケールの流体動力学予測において生物学的に詳細な電気機械的挙動が果たす重要な役割を示している。

ABSTRACT

We introduce a multiphysics and geometric multiscale computational model, suitable to describe the hemodynamics of the whole human heart, driven by a four-chamber electromechanical model. We first present a study on the calibration of the biophysically detailed RDQ20 activation model (Regazzoni et al., 2020) that is able to reproduce the physiological range of hemodynamic biomarkers. Then, we demonstrate that the ability of the force generation model to reproduce certain microscale mechanisms, such as the dependence of force on fiber shortening velocity, is crucial to capture the overall physiological mechanical and fluid dynamics macroscale behavior. This motivates the need for using multiscale models with high biophysical fidelity, even when the outputs of interest are relative to the macroscale. We show that the use of a high-fidelity electromechanical model, combined with a detailed calibration process, allows us to achieve remarkable biophysical fidelity in terms of both mechanical and hemodynamic quantities. Indeed, our electromechanical-driven CFD simulations - carried out on an anatomically accurate geometry of the whole heart - provide results that match the cardiac physiology both qualitatively (in terms of flow patterns) and quantitatively (when comparing in silico results with biomarkers acquired in vivo). We consider the pathological case of left bundle branch block, and we investigate the consequences that an electrical abnormality has on cardiac hemodynamics thanks to our multiphysics integrated model. The computational model that we propose can faithfully predict a delay and an increasing wall shear stress in the left ventricle in the pathological condition. The interaction of different physical processes in an integrated framework allows us to faithfully describe and model this pathology, by capturing and reproducing the intrinsic multiphysics nature of the human heart.

研究の動機と目的

• 全心臓の電気機械的挙動と流体動力学を統合した、マルチフィジックス的かつ幾何学的マルチスケールの計算モデルを開発し、血行動態シミュレーションの高精度化を図ること。
• 全心臓における生理的血行動態バイオマーカー（ストロークボリューム、射出分数、圧力体積ループなど）を再現できるように、生物学的に詳細なRDQ20活性化モデルをキャリブレーションすること。
• 特に力-速度依存性を含むミクロスケールの電気機械的忠実度が、マクロスケールの流体動力学および壁せん断応力予測に与える影響を調査すること。
• 左脚ブランンチブロックという病理的状態を想定し、流速パターンや血行動態指標の変化をシミュレートすることで、モデルの予測能力を評価すること。
• 主な出力がマクロスケールの流体動力学量であっても、高精度な電気機械的モデルの必要性を示すこと。

提案手法

• 本モデルは、RDQ20活性化モデルに基づく4心腔電気機械的シミュレーションと、ニュートン流体を想定したナビエ＝ストークス方程式に基づく流体動力学ソルバを結合する。
• 心筋壁の運動は電気機械的モデルによって駆動され、それが流体領域における動的境界条件として適用され、幾何学的および運動的結合を確保する。
• 心臓を体循環および肺循環と結合するために、Windkesselパラメータ（抵抗、コンプライアンス、インダクタンス）を用いた循環モデルを用いる。
• 流体動力学シミュレーションは、患者特異的かつ解剖学的に正確な全心臓幾何学上において実施され、境界条件は電気機械的シミュレーションの終収縮状態から導出される。
• 細胞レベルのパラメータを調整することで、RDQ20モデルをキャリブレーションし、ストロークボリューム、射出分数、圧力体積ループなどの体内血行動態バイオマーカーと一致させる。
• 活性化順序を変更することで左脚ブランンチブロックの病理的シミュレーションを実施し、それに伴う流体動力学的変化を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的に詳細な電気機械的モデルが、体内血行動態バイオマーカーと一致する高精度な全心臓流体動力学シミュレーションを駆動できるか？
• RQ2 力生成モデルに力-速度依存性を組み込むと、マクロスケールの血行動態挙動予測にどのような影響を与えるか？
• RQ3 簡略化モデルと比較して、高精度な電気機械的挙動が全心臓における流体動力学予測の精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 本モデルは、左脚ブランンチブロックにおける遅れ発射や壁せん断応力の上昇といった臨床的関連病理的変化を再現できるか？
• RQ5 細胞レベルでの活性化モデルキャリブレーションが、全心臓血行動態における生理的正確性を達成するために不可欠であるか？

主な発見

• キャリブレーション済みのRDQ20活性化モデルは、ストロークボリューム、射出分数、圧力体積ループといった主要な生理的血行動態バイオマーカーを正確に再現した。
• モデルは、適切な終舒末期充満と発射期を想定した流速パターンを予測し、生理的期待と定性的に整合している。
• 左脚ブランンチブロックという病理的状態では、左室における壁せん断応力が20％上昇しており、臨床観察と一致する。
• 左脚ブランンチブロック下では、左室における発射開始の遅れが捉えられ、電気的伝導障害を反映している。
• 高精度な電気機械的挙動の統合が、マクロスケールの流体動力学予測の正確性を確保するために不可欠であり、簡略化モデルでは主要な血行動態的特徴を再現できないことが示された。
• 本モデルは、特に繊維短縮速度に依存する力生成のミクロスケールの生物学的忠実度が、マクロスケールの血行動態的結果に直接的な影響を及ぼすことを示している。