[논문 리뷰] Validation of a 3D-0D closed-loop model of the heart and circulation -- Modeling the experimental assessment of diastolic and systolic ventricular properties

Christoph M. Augustin, Matthias A. F. Gsell외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 16.

Cardiovascular Function and Risk Factors참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 이완기 심장 기능을 효율적이고 강건하며 생리학적으로 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 생리학적 기반의 이완기 심장 기능을 모델링하는 3D-0D 닫힘 루프 모델을 제안한다. 파rameter화 및 안정화 후, 모델은 부하 및 수축성 변화에 따른 일시적인 동맥압 반응을 성공적으로 재현하여 수축기 및 이완기 심실 기능 특성 평가의 예측 능력을 검증한다.

ABSTRACT

Computer models of cardiac electro-mechanics (EM) and cardiovascular hemodynamics show promise as an effective means for the quantitative analysis of clinical data and, potentially, provide capabilities to predict the response to therapies. To realize such modeling applications methodological key challenges must be addressed. To endow models with predictive capabilities they must comprehensively encapsulate relevant cardiovascular mechanism, achieve computational efficiency and robustness to enable simulations of prolonged observation periods under a broad range of conditions, and, thus, facilitate model personalization within tractable time frames. Here, these challenges are addressed by introducing a flexible method for coupling a 3D model of bi-ventricular EM to the 0D CircAdapt model representing atrial EM and closed-loop circulation. A detailed mathematical description is given and efficiency, robustness and accuracy of numerical scheme and solver implementation are evaluated. After parameterization and stabilization to a limit cycle under baseline conditions, the model is shown to replicate physiological behaviors by simulating the transient response to alterations in loading conditions and contractility, induced by protocols for assessing of systolic and diastolic ventricular properties.

연구 동기 및 목표

• 예측 정확도, 계산 효율성, 장기 시뮬레이션 동안의 강건성과 같은 심장 모델링 분야의 핵심 과제를 해결하기 위해.
• 세부적인 3D 이완기 심장 전기기계 모델과 0D 닫힘 루프 순환 모델(CircAdapt) 간의 탄력적인 결합 방법을 개발하기 위해.
• 기본 및 변화된 조건에서 수치적 안정성과 생리학적 정확성을 확보함으로써 타당한 시간 내에 모델 개인화를 가능하게 하기 위해.
• 모델이 임상적 심실 기능 평가에 관련된 일시적 반응을 시뮬레이션할 수 있는 능력을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이완기 심장 전기기계 모델의 3D 유한요소 모델과 심방 기능과 닫힘 루프 순환을 나타내는 0D CircAdapt 모델을 결합한다.
• 혈역학적으로 일관된 경계 조건을 통해 결합을 구현하여 3D-0D 인터페이스에서 유량과 압력의 연속성을 확보한다.
• 심장 전기생리학, 활성 힘, 혈관 혈역학에 대한 제어 방정식을 포함한 상세한 수학적 수식을 제공한다.
• 계산 효율성과 강건성을 최적화한 수치적 방법을 적용하여 장기 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 모델 파rameter는 생리학적 기본 조건에 맞게 校정되었으며, 동적 안정성을 확보하기 위해 한 주기로 수렴하는 한계 사이클 상태로 안정화되었다.
• 수축성, 후하 및 전하 변화를 시뮬레이션하는 제어된 프rotocol을 통해 수축기 및 이완기 기능 평가를 위한 시험을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 조건에서 생리학적 혈역학 반응을 3D-0D 닫힘 루프 모델이 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 임상적 심실 기능 평가에 관련된 부하 및 수축성 변화에 따른 일시적 반응을 모델이 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 장기간의 시뮬레이션 기간 동안 결합 방법이 수치적 강건성과 계산 효율성을 확보하는가?
• RQ4 통제된 자극 조건 하에서 모델이 수축기 및 이완기 심실 기능 특성의 동적 행동을 어느 정도 정확하게 재현하는가?

주요 결과

• 3D-0D 닫힘 루프 모델은 생리학적 기본 조건에서 안정적인 한계 사이클을 성공적으로 확보하여 수치적 강건성을 입증하였다.
• 모델은 후하 및 수축성 변화에 따른 일시적 혈역학 반응을 생리학적 기대와 일치하는 정확도로 재현하였다.
• 결합 프레임워크는 효율적이고 안정적인 장기 시뮬레이션을 가능하게 하여 타당한 계산 시간 내에서 모델 개인화를 지원한다.
• 모델은 수축기 및 이완기 심실 기능의 핵심적 특징을 잘 포착하여 통제된 프rotocol 하에서 심실 기능 특성 평가에 활용 가능한 것으로 검증되었다.