[论文解读] Uncertainty quantification of inflow boundary condition and proximal arterial stiffness coupled effect on pulse wave propagation in a vascular network

Antoine Brault, Laurent Dumas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Cardiovascular Health and Disease Prevention被引用 100

一句话总结

本研究量化了近端主动脉流入边界条件（心输出量参数）和空间异质性主动脉僵硬度对55支动脉简化血流动力学模型中脉搏波传播的影响。采用随机稀疏伪谱方法，研究发现心率变异性对近端压力和血流影响显著，而主动脉僵硬度的异质性则显著放大了响应变异性，尤其在远端区域更为明显，且波反射敏感性从近端区域的心率主导转变为远端区域的僵硬度控制。

ABSTRACT

SUMMARY This work aims at quantifying the effect of inherent uncertainties from cardiac output on the sensitivity of a human compliant arterial network response based on stochastic simulations of a reduced-order pulse wave propagation model. A simple pulsatile output form is utilized to reproduce the most relevant cardiac features with a minimum number of parameters associated with left ventricle dynamics. Another source of critical uncertainty is the spatial heterogeneity of the aortic compliance which plays a key role in the propagation and damping of pulse waves generated at each cardiac cycle. A continuous representation of the aortic stiffness in the form of a generic random field of prescribed spatial correlation is then considered. Resorting to a stochastic sparse pseudospectral method, we investigate the spatial sensitivity of the pulse pressure and waves reflection magnitude with respect to the different model uncertainties. Results indicate that uncertainties related to the shape and magnitude of the prescribed inlet flow in the proximal aorta can lead to potent variation of both the mean value and standard deviation of blood flow velocity and pressure dynamics due to the interaction of different wave propagation and reflection features. These results have potential physiological and pathological implications. They will provide some guidance in clinical data acquisition and future coupling of arterial pulse wave propagation reduced-order model with more complex beating heart models.

研究动机与目标

• 量化不确定的心输出量参数（心率、平均血流量、峰值血流量）对人类动脉网络中脉搏波动力学的影响。
• 研究空间异质性主动脉僵硬度（作为随机场建模）对脉搏波传播与反射的作用。
• 评估流入条件与动脉僵硬度联合不确定性对脉压与波反射幅度的影响。
• 为简化模型在临床应用中的可靠性及数据采集策略提供洞见。
• 通过识别主要的变异性来源，为未来将这些模型与更复杂的心脏模型耦合提供指导。

提出的方法

• 采用简化的一维流固耦合模型，模拟55支动脉系统网络中的脉搏波传播。
• 通过在心率、平均心输出量和峰值血流量上使用均匀分布的随机变量，对流入边界条件进行随机建模。
• 将主动脉僵硬度表示为具有预设空间相关结构的平稳随机场，以反映生理异质性。
• 采用随机稀疏伪谱方法，高效计算脉压与波反射幅度的统计矩（均值、标准差）。
• 进行敏感性分析，以识别对动脉树各处输出变异性贡献最大的参数。
• 分析输入不确定性与输出之间的统计相关性，以理解参数相互作用与响应定位特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 心率、平均心输出量和峰值血流量的不确定性如何影响动脉网络中的脉压与波反射？
• RQ2 作为随机场建模的空间异质性主动脉僵硬度对脉搏波传播与反射动力学有何影响？
• RQ3 在主动脉僵硬度不确定性被纳入后，血流动力学响应对心输出量参数的敏感性如何变化？
• RQ4 在动脉树的哪些位置，波反射幅度与脉压变异性对输入不确定性表现出最高敏感性？
• RQ5 波捕获现象如何调制分叉网络中不确定性效应的空间分布？

主要发现

• 在所考虑的范围内，心率变异性对近端主动脉和上肢的脉压与波反射幅度具有显著影响。
• 峰值血流量变异性对远端部位和降主动脉的影响较弱，对远端区域波反射的影响可忽略。
• 将主动脉僵硬度不确定性建模为连续随机场，会全局性地增加系统响应变异性，并重新映射网络中各处的参数敏感性。
• 在远端主动脉和外周区域，波反射幅度的敏感性从心率主导转变为中波长波动下的主动脉僵硬度控制。
• 长波长僵硬度波动主要影响远离其空间起源的波反射，而短波长波动则产生局部效应，且在更远端的血管段中逐渐减弱。
• 在上肢观察到显著的左右不对称性统计响应，归因于左臂路径为四次分叉，右臂为三次分叉，这一特征在该网络拓扑中此前未被报道。