[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究提出了一种新颖的3D-0D闭环模型，将双心室电机械（EM）模型与0D CircAdapt循环模型耦合，以实现高效、稳健且生理上准确的心脏功能模拟。在参数化和稳定化后，该模型成功再现了负荷和收缩力变化下的瞬态血流动力学反应，验证了其在评估收缩期和舒张期心室特性方面的预测能力。

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.

研究动机与目标

• 为解决心脏建模中的关键挑战，包括预测准确性、计算效率和长时间模拟下的鲁棒性。
• 开发一种将详细3D双心室EM模型与0D闭环循环模型（CircAdapt）灵活耦合的方法。
• 通过确保基线和扰动条件下的数值稳定性和生理保真度，实现在可接受时间范围内的模型个性化。
• 验证模型在模拟与临床评估心室功能相关的瞬态反应方面的能力。

提出的方法

• 将3D有限元双心室电机械模型与代表心房功能和闭环循环的0D CircAdapt模型进行耦合。
• 通过血流动力学一致的边界条件实现耦合，确保3D-0D界面处的血流和压力连续性。
• 提供了详细的数学公式，包括心脏电生理、主动张力和血管血流动力学的控制方程。
• 数值格式经过优化，以实现计算效率和鲁棒性，支持长时间模拟。
• 模型参数经校准以匹配生理基线条件，并稳定为极限环，以确保动态稳定性。
• 在受控协议下对模型进行测试，以模拟后负荷、前负荷和收缩力的变化，评估收缩期和舒张期功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D-0D闭环模型能否在基线条件下准确模拟生理血流动力学反应？
• RQ2 该模型在负荷和收缩力改变下的瞬态反应再现效果如何，这些反应与心室功能的临床评估密切相关？
• RQ3 该耦合方法是否能在长时间模拟期间确保数值鲁棒性和计算效率？
• RQ4 该模型在受控扰动下，对收缩期和舒张期心室特性的动态行为复制程度如何？

主要发现

• 在基线生理条件下，3D-0D闭环模型成功实现了稳定的极限环，证明了其数值鲁棒性。
• 该模型准确再现了后负荷和收缩力变化下的瞬态血流动力学反应，与生理预期一致。
• 耦合框架支持高效且稳定的长期模拟，使模型个性化在可行的计算时间内得以实现。
• 该模型捕捉了收缩期和舒张期心室功能的关键特征，验证了其在受控协议下评估心室特性的适用性。