[論文レビュー] 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. Gsell+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2020

Cardiovascular Function and Risk Factors参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、右心室および左心室の電気力学的（EM）モデルと0次元の循環モデル（CircAdapt）を結合した新規な3次元-0次元閉ループモデルを提示する。このモデルにより、効率的で安定的かつ生理的に正確な心機能のシミュレーションが可能となる。パrameter化および安定化を経て、負荷および収縮性の変化に伴う一時的血行動態反応を正確に再現し、収縮期および拡張期の心室特性を評価するための予測能力が検証された。

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.

研究の動機と目的

• 心臓モデリングにおける主な課題、すなわち予測精度、計算効率、および長時間にわたるシミュレーションにおけるロバスト性を解決すること。
• 詳細な3次元両心室EMモデルと0次元閉ループ循環モデル（CircAdapt）の間の柔軟な結合手法を開発すること。
• ベースラインおよび摂動条件の下で数値的安定性と生理的妥当性を確保することで、妥当な時間枠内でモデルの個別化を可能にすること。
• モデルが心機能の臨床的評価に関連する一時的応答をシミュレートする能力を検証すること。

提案手法

• 3次元有限要素法を用いた両心室の電気力学的モデルを、心房機能と閉ループ循環を表す0次元のCircAdaptモデルと結合する。
• 血行動態的に整合性のある境界条件を介して結合を実装し、3次元-0次元界面を越えて流量および圧力の連続性を保証する。
• 心筋の電気生理学、活性筋力、および血管血行動態の支配方程式を含む、包括的な数学的定式化を提示する。
• 計算効率およびロバスト性を最適化した数値スキームを採用し、長時間にわたるシミュレーションを可能にする。
• モデルパラメータを生理的ベースライン条件にキャリブレーションし、動的安定性を確保するためのリミットサイクルに安定化する。
• 収縮性、後負荷、前負荷の変化を模擬する制御されたプロトコルを用いて、収縮期および拡張期機能の評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元-0次元閉ループモデルは、ベースライン条件下で生理的血行動態反応を正確にシミュレートできるか？
• RQ2 臨床的評価における心室機能に関連する負荷および収縮性の変化に伴う一時的応答を、モデルはどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 この結合手法は、長期間にわたるシミュレーションにおいて数値的ロバスト性と計算効率を確保できるか？
• RQ4 制御された摂動条件下で、収縮期および拡張期の心室特性の動的挙動をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 3次元-0次元閉ループモデルは、ベースライン生理的条件下で安定したリミットサイクルに達し、数値的ロバスト性を示した。
• 後負荷および収縮性の変化に伴う一時的血行動態反応を、生理的期待と整合的に正確に再現した。
• 結合フレームワークにより、効率的で安定した長期シミュレーションが可能となり、計算時間の制約内でモデルの個別化が実現した。
• モデルは収縮期および拡張期の心室機能の主要な特徴を捉えており、制御されたプロトコル下での心室特性評価に有効であることが検証された。