[论文解读] A comprehensive and biophysically detailed computational model of the whole human heart electromechanics

Marco Fedele, Roberto Piersanti+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Cardiovascular Function and Risk Factors被引用 10

一句话总结

本文提出了一种生物物理细节丰富的全心电机械模型，将心房与心室的收缩与闭环循环系统相结合，采用先进的数值格式和反馈机制，在压力-容积环、变形和血流动力学方面实现了前所未有的生理准确性。该模型通过整合多尺度物理和稳定、高保真的模拟，为心脏数字孪生设定了新基准。

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.

研究动机与目标

• 开发一个全面的、生物物理细节丰富的整个人类心脏计算模型，以捕捉心房和心室的电机械活动。
• 解决以往模型中常被忽略的心房复杂解剖结构及其在心脏功能中生理作用的建模挑战。
• 通过先进的稳定技术与分离-网格-交错格式，确保四腔室模拟的数值稳定性和准确性。
• 通过真实的压力-容积环、变形和血流动力学通量，实现对心脏周期的高保真模拟。
• 通过集成多尺度和多物理场建模，为基于物理的整个人类心脏数字孪生奠定基础。

提出的方法

• 模型采用医学影像获取的解剖学上精确的全心几何结构，心房、心室及非导电结构采用区域特异性本构定律。
• 整合了生物物理细节丰富的微尺度主动收缩力生成模型，包括跨膜电位动力学和钙驱动收缩。
• 将0D闭环循环系统模型与机械模型完全耦合，实现真实的血流动力学反馈。
• 公式中包含关键反馈机制，如机械-电反馈和纤维拉伸/拉伸速率反馈，以提升生理真实性。
• 采用一种新颖的分离-网格-交错有限元格式，结合循环和纤维拉伸速率反馈的稳定技术，确保数值稳定性。
• 模型使用高阶时间积分（BDF1/BDF2）和预处理迭代求解器（GMRES/CG与AMG），以高效求解大规模非线性系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个完全耦合的、生物物理细节丰富的整个人类心脏电机械模型能否以高精度重现健康的生理压力-容积环和变形模式？
• RQ2 在全心模拟中，心房收缩对血流动力学性能和心室充盈动力学有何影响？
• RQ3 纤维拉伸速率反馈与数值稳定技术如何影响四腔室心脏模拟的稳定性与生理保真度？
• RQ4 包含区域特异性材料属性和解剖复杂性的模型在多大程度上提升了其生理合理性？
• RQ5 统一的多尺度、多物理场模型能否在所有心腔中实现整个心脏周期的稳定且精确的模拟？

主要发现

• 该模型以前所未有的精度重现了健康心脏功能，与生理基准高度一致，包括心房中的八边形压力-容积环。
• 心房收缩的引入显著提高了心室充盈和每搏量的准确性，舒张末期容积与临床预期相符。
• 纤维拉伸速率反馈对于防止出现非生理性的大血流量至关重要，否则将导致血流动力学不稳定。
• 所提出的稳定数值格式使四腔室设置下整个心脏周期的稳定模拟成为可能，这是以往模型的重大挑战。
• 该模型实现了对所有心腔中时间变化的压力、容积和三维变形的高保真再现，与已知生理值具有定量一致性。
• 使用区域特异性参数和本构定律使左心房、右心房、心室及瓣膜的机械行为均表现出现实特性。