[论文解读] A coupled mitral valve -- left ventricle model with fluid-structure interaction

Hao Gao, Liuyang Feng+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2017

Cardiac Valve Diseases and Treatments被引用 4

一句话总结

本研究基于在体心脏磁共振成像（CMR）数据，首次建立了主动脉瓣与左心室（LV）耦合的三维流固耦合（FSI）模型，结合浸入边界法与有限元法，模拟了生理状态下的血流动力学与心肌收缩。模型表明，心肌主动松弛功能受损会显著提高舒张期充盈压以维持正常心输出量，与临床观察一致。

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.

研究动机与目标

• 基于在体影像数据，开发一个生理上合理的、完全耦合的二尖瓣-左心室（MV-LV）流固耦合（FSI）模型。
• 研究心肌主动松弛 dysfunc tion 对左心室泵功能及血流动力学的影响。
• 将模型与在体测量结果进行验证，评估其再现临床血流动力学趋势的能力。
• 推进全心脏多物理场建模在心脏病风险分层与治疗优化中的临床应用。

提出的方法

• 模型采用健康志愿者的在体心脏磁共振（CMR）影像重建患者特异性解剖几何结构。
• 采用混合浸入边界-有限元法模拟流固耦合，实现血液流动、二尖瓣动力学与左心室壁变形的耦合。
• 采用非线性、纤维增强超弹性本构定律描述二尖瓣与左心室中被动软组织的力学行为。
• 基于实验数据，采用心肌壁层纤维取向与主动应力生成机制模拟心肌主动收缩。
• 施加边界条件以模拟生理状态下的充盈与射血相，包括时变心内膜压力及流入/流出道边界。
• 模拟覆盖从舒张期到收缩期的整个心动周期，捕捉二尖瓣关闭、左心室射血及心室血流模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在耦合的MV-LV模型中，心肌主动松弛功能受损如何影响舒张期充盈压与心输出量？
• RQ2 与简化模型相比，引入FSI与真实左心室壁动力学会在多大程度上提升血流动力学模拟的准确性？
• RQ3 模拟的二尖瓣口面积与跨瓣血流速率与CMR获取的在体测量值相比如何？
• RQ4 在左心室收缩过程中，腱索（chordae tendineae）在二尖瓣动力学中发挥何种作用？
• RQ5 该模型能否再现临床观察到的三相舒张期充盈模式（快速充盈、缓慢充盈、心房射血）？

主要发现

• 模型在定性上良好再现了心动周期的关键血流动力学特征，包括二尖瓣关闭与左心室射血，与在体CMR测量结果一致。
• 尽管采用简化的腱索结构，模型仍能捕捉在生理条件下MV-LV相互作用的本质动力学。
• 在耦合模型中，跨瓣血流峰值速率（200 mL/s）低于MV-管模型（600 mL/s），表明左心室壁动力学导致阻力增加。
• 心肌主动松弛功能受损会导致舒张期充盈压显著升高，以维持正常心输出量，与临床观察一致。
• 模型预测心房收缩仅贡献约10%的总跨瓣血流，与临床生理学相符。
• 峰值血流速率的差异归因于腱索结构的简化重建与左心室壁的被动假设，凸显了对更精确患者特异性影像与建模方法的需求。