[논문 리뷰] A coupled mitral valve -- left ventricle model with fluid-structure interaction

Hao Gao, Liuyang Feng외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 29.

Cardiac Valve Diseases and Treatments인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 생체 내 심장 MRI 데이터를 사용하여 미트랄판(MV)과 좌심실(LV)을 결합한 최초의 3차원 유체-구조 상호작용(FSI) 모델을 제시한다. 유체-경계 및 유한요소 방법을 조합하여 생리학적 혈역학과 심근 수축을 시뮬레이션한다. 모델은 심근 수축 기능 저하가 정상 심박출량을 유지하기 위해 이완기 혈류압을 크게 증가시킨다는 것을 보여주며, 임상 관찰과 일치한다.

ABSTRACT

Understanding the interaction between the valves and walls of the heart is important in assessing and subsequently treating heart dysfunction. With advancements in cardiac imaging, nonlinear mechanics and computational techniques, it is now possible to explore the mechanics of valve-heart interactions using anatomically and physiologically realistic models. This study presents an integrated model of the mitral valve (MV) coupled to the left ventricle (LV), with the geometry derived from in vivo clinical magnetic resonance images. Numerical simulations using this coupled MV-LV model are developed using an immersed boundary/finite element method. The model incorporates detailed valvular features, left ventricular contraction, nonlinear soft tissue mechanics, and fluid-mediated interactions between the MV and LV wall. We use the model to simulate the cardiac function from diastole to systole, and investigate how myocardial active relaxation function affects the LV pump function. The results of the new model agree with in vivo measurements, and demonstrate that the diastolic filling pressure increases significantly with impaired myocardial active relaxation to maintain the normal cardiac output. The coupled model has the potential to advance fundamental knowledge of mechanisms underlying MV-LV interaction, and help in risk stratification and optimization of therapies for heart diseases.

연구 동기 및 목표

• 생체 내 영상 데이터를 사용하여 생리학적으로 타당한 완전히 결합된 미트랄판-좌심실(MV-LV) 모델을 개발하고 유체-구조 상호작용(FSI)을 적용한다.
• 심근 수축 기능 이상이 LV 펌프 기능과 혈역학에 미치는 영향을 조사한다.
• 모델을 생체 내 측정치와 비교하여 임상 혈역학 경향을 재현할 수 있는 능력을 검증한다.
• 심장 질환의 위험도 평가 및 치료 최적화를 위한 임상적 응용을 위한 전체 심장 다물리크스 모델링을 발전시킨다.

제안 방법

• 모델은 건강한 자원자의 생체 내 심장 자기공명 영상(CMR) 데이터로부터 재구성된 환자 특이적 기하구조를 사용한다.
• 혈액 유동, MV 운동, LV 벽 변형을 결합하기 위해 하이브리드 유체-경계-유한요소 방법을 사용하여 유체-구조 상호작용을 시뮬레이션한다.
• 비선형 섬유강화 초탄성 물성 법칙이 MV 및 LV의 수동 연조직 기계적 거동을 기술한다.
• 심근 수축은 실험 데이터 기반의 관통 방향 섬유 배향과 활성 응력 생성을 사용하여 모델링된다.
• 이완기 및 수축기 조건을 시뮬레이션하기 위해 경변압과 혈류 유입/유출 경로에 시간에 따라 변화하는 경계 조건을 적용한다.
• 모든 심장 주기(이완기에서 수축기까지)를 포함하여 MV 닫힘, LV 분출, 심실 혈류 패턴을 캡처하는 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기능 저하된 심근 수축 이완이 결합된 MV-LV 모델에서 이완기 혈류압과 심박출량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 실제 LV 벽 역학을 포함한 FSI와 간단한 모델에 비해 혈역학 정확도가 얼마나 향상되는가?
• RQ3 시뮬레이션된 MV 개구부 크기와 전판막 유량은 CMR에서의 생체 내 측정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 LV 수축과 통합된 상태에서 부미트랄 기구(현대 인대)는 MV 운동에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 모델은 임상적으로 관찰되는 3단계 이완기 혈류 패턴(급속 충만, 천천히 충만, 심방 수축)을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 생체 내 CMR 측정치와 양적 일치도가 높은 방식으로 심장 주기의 주요 혈역학적 특징, 즉 MV 닫힘과 LV 분출을 재현한다.
• 간단한 현대 인대 기하구조를 사용함에도 불구하고, 생리학적 조건에서 MV-LV 상호작용의 핵심 역학을 잘 포착한다.
• 결합 모델에서의 최대 전판막 유량(200 mL/s)은 MV-튜브 모델(600 mL/s)보다 낮아, LV 벽 역학으로 인한 저항 증가를 시사한다.
• 심근 수축 이완 기능 저하 시 정상 심박출량을 유지하기 위해 이완기 혈류압이 크게 증가하며, 이는 임상 관찰과 일치한다.
• 모델은 심방 수축이 총 전판막 유량의 약 10% 기여함을 예측하며, 임상 생리학과 일치한다.
• 최대 유량 차이의 원인은 단순화된 현대 인대 재구성과 LV 벽에 대한 수동적 가정으로 인해 발생하며, 향상된 환자 특이적 영상 및 모델링의 필요성을 시사한다.