[논문 리뷰] A comprehensive and biophysically detailed computational model of the whole human heart electromechanics

Marco Fedele, Roberto Piersanti외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 25.

Cardiovascular Function and Risk Factors인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 심장의 심방 및 심실 수축을 닫힌 순환계와 통합한 생리학적으로 정밀한 전체 심장 전기역학 모델을 제시한다. 고도로 발전한 수치 기법과 피드백 메커니즘을 통해 압력-부피 루프, 변형, 순환역학 측면에서 예상할 수 없을 정도로 높은 생리학적 정확도를 달성한다. 이 모델은 다스케일 물리학과 안정적이고 고해상도 시뮬레이션을 통합함으로써 심장 디지털 트윈의 새로운 기준을 설정한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전체 인간 심장의 포괄적이고 생리학적으로 정밀한 수치 모델을 개발하여 심방 및 심실의 전기역학을 모두 포괄한다.
• 이전 모델에서 자주 간과되는 복잡한 심방 해부학적 구조와 그 기능적 역할을 모델링하는 데 도전한다.
• 고도로 발전한 안정화 기법과 분리-격자-스태그너드 스킴을 통해 4심실 시뮬레이션의 수치적 안정성과 정확도를 확보한다.
• 실제 압력-부피 루프, 변형, 순환역학 유량을 고해상도로 재현할 수 있는 심장 주기의 정밀한 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 통합된 다스케일 및 다물리학 모델링을 통해 물리기반의 인간 심장 디지털 트윈을 위한 기반을 마련한다.

제안 방법

• 의료 영상에서 유도된 해부학적으로 정확한 전체 심장 기하학을 사용하며, 심방, 심실 및 비도전성 구조에 대해 지역별 구성법칙을 적용한다.
• 활성 힘 생성을 위한 생리학적으로 정밀한 미세구조 모델을 포함하며, 세포막 전위 역학과 칼슘 유도 수축을 수반한다.
• 0D 닫힌 순환계 모델이 기계적 모델과 완전히 결합되어 실제 순환역학 피드백을 가능하게 한다.
• 기계-전기 피드백 및 섬유-신장/신장률 피드백과 같은 핵심 피드백 메커니즘을 포함하여 생리학적 현실성 향상.
• 새로운 분리-격자-스태그너드 유한요소 스킴을 사용하며, 순환 및 섬유-신장률 피드백의 안정화 기법을 통해 수치적 안정성을 확보한다.
• 고차수 시간 적분(BDF1/BDF2)과 조절된 반복 해법(GMRES/CG와 AMG)을 사용하여 대규모 비선형 시스템의 효율적 해법을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전혀 결합된 생리학적으로 정밀한 전체 인간 심장 전기역학 모델이 건강한 생리학적 기준에 근거한 압력-부피 루프와 변형 패턴을 높은 정확도로 재현할 수 있는가?
• RQ2 전체 심장 시뮬레이션에서 심방 수축을 포함할 경우 순환역학적 성능과 심실 충만 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 섬유-신장률 피드백과 수치적 안정화 기법은 4심실 심장 시뮬레이션의 안정성과 생리학적 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 지역별 물성 특성과 해부학적 복잡성을 포함할 경우 모델의 생리학적 타당성은 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 통합된 다스케일 및 다물리학 모델은 모든 심장 챔버에서 전체 심장 주기의 안정적이고 정확한 시뮬레이션을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 생리학적 기준과 예상할 수 없을 정도로 높은 일치도로 건강한 심장 기능을 재현하며, 심방에서 8자 모양의 압력-부피 루프를 포함한다.
• 심방 수축의 포함은 심실 충만과 심장 출력의 정확도를 크게 향상시키며, 말기 diastolic 부피가 임상 기대치와 일치한다.
• 섬유-신장률 피드백은 과도하게 큰 혈류량을 방지하여 그렇지 않으면 순환역학적 불안정성을 초래하는 데 필수적이다.
• 제안된 안정화 수치 스킴은 이전 모델에서 큰 도전 과제였던 4심실 환경에서 전체 심장 주기의 안정적 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 모델은 모든 심장 챔버에서 시간에 따라 변하는 압력, 부피, 3차원 변형을 고해상도로 재현하며, 알려진 생리학적 값과 정량적 일치를 보인다.
• 지역별 매개변수와 구성법칙의 사용은 좌심방, 우심방, 좌심실, 우심실 및 판막에서 현실적인 기계적 거동을 유도한다.