מידול רכיבים מקופחים ואלמנטים סופיים של אי ספיקת לב עם שבר פליטה משומר

אי ספיקת לב היא הגורם המוביל למוות ברחבי העולם, אשר מתרחשת כאשר הלב אינו מסוגל לשאוב או למלא כראוי כדי לשמור על קשר עם הדרישות המטבוליות של הגוף. שבר הפליטה, כלומר, הכמות היחסית של הדם המאוחסן בחדר השמאלי הנפלט עם כל התכווצות משמש קלינית לסיווג אי ספיקת לב לאי ספיקת לב (i) עם שבר פליטה מופחת (HFrEF) ו- (ii) אי ספיקת לב עם שבר פליטה משומר (HFpEF), עבור שברי פליטה פחות או יותר מ – 45%, בהתאמה^1,2,3. הסימפטומים של HFpEF מתפתחים לעתים קרובות בתגובה לעומס לחץ החדר השמאלי, אשר יכול להיגרם על ידי מספר תנאים כולל היצרות בחי העורקים, יתר לחץ דם, ואת חסימת דרכי זרימת החדר השמאלי^3,4,5,6,7. עומס לחץ מניע מפל של סטיות מולקולריות ותאית, המוביל עיבוי של הקיר החדר השמאלי (שיפוץ קונצנטרי) ובסופו של דבר, להקשיח קיר או אובדן תאימות^8,9,10. שינויים ביומכניים אלה משפיעים עמוקות על המודינמיקה קרדיווסקולרית כפי שהם גורמים מערכת יחסים מוגבהת של נפח הלחץ הסופי דיאסטולי ובהפחתה של נפח סוף דיאסטולי¹¹.

מידול חישובי של מערכת הלב וכלי הדם קידם את ההבנה של לחץ דם וזרימות הן פיזיולוגיה ומחלות וטיפח את הפיתוח של אסטרטגיות אבחון וטיפול¹². במודלים silico מסווגים מודלים נמוכים או גבוהים, עם לשעבר ניצול שיטות אנליטיות כדי להעריך תכונות המודינמיות גלובליות עם ביקוש חישובי נמוך והאחרון מתן תיאור רב-ממדי ורב-תחומי נרחב יותר של מכניקת לב וכלי דם המודינמיקה בתחום 2D או 3D¹³. ייצוג וינדקסל עם הפרמטרים הגושיים הוא הנפוץ ביותר בקרב התיאורים הנמוכים-ממדיים. בהתבסס על אנלוגיית המעגל החשמלי (חוק אוהם), זה מחקה את ההתנהגות המודינמית הכוללת של מערכת הלב וכלי הדם באמצעות שילוב של אלמנטים התנגדותיים, קיבוליים, השראתיים¹⁴. מחקר שנערך לאחרונה על ידי קבוצה זו הציע מודל וינדקסל חלופי בתחום ההידראולי המאפשר מידול של שינויים בגיאומטריה ומכניקה של תאי לב כלי גדולים ושסתומים- באופן אינטואיטיבי יותר מאשר מודלים אנלוגיים חשמליים מסורתיים. סימולציה זו מפותחת על פותר מספרי מונחה עצמים (ראה טבלה של חומרים) והוא יכול ללכוד את המודינמיקה נורמלית, השפעות פיזיולוגיות של צימוד cardiorespiratory, זרימת דם מונחה נשימה בפיזיולוגיה של לב אחד, ושינויים המודינמיים עקב התכווצות העורקים. תיאור זה מרחיב את היכולות של מודלים עם פרמטרים גושיים על ידי הצעת גישה אינטואיטיבית פיזית לדגם ספקטרום של תנאים פתולוגיים כולל אי ספיקת לב¹⁵.

מודלים מימדיים גבוהים מבוססים על FEA לחישוב המודינמיקה מרחבית ואינטראקציות מבנה נוזלים. ייצוגים אלה יכולים לספק תיאורים מפורטים ומדויקים של שדה זרימת הדם המקומי; עם זאת, בשל היעילות החישובית הנמוכה שלהם, הם אינם מתאימים למחקרים של עץ הלב וכלי הדם כולו^16,17. חבילת תוכנה (ראה טבלת החומרים)הועסקה כפלטפורמת FEA מדויקת אנטומית של הלב האנושי הבוגר בן 4 התאים, המשלבת את התגובה האלקטרו-מכנית, העיוותים המבניים וההמודינמיקה המבוססת על חלל נוזלים. מודל הלב האנושי המותאם כולל גם מודל פשוט של פרמטרים גושיים המגדיר את חילופי הזרימה בין חללי הנוזלים השונים, כמו גם אפיון מכני מלא של רקמת הלב^18,19.

מספר מודלים של אי ספיקת לב גובשו כדי ללכוד חריגות המודינמיות ולהעריך אסטרטגיות טיפוליות, במיוחד בהקשר של מכשירי סיוע מכניים במחזור הדם עבור HFrEF^{20,21,22,23,24}. מערך רחב של מודלים 0D גושי פרמטרים של מורכבויות שונות ולכן בהצלחה כבש את המודינמיקה של הלב האנושי בתנאים פיזיולוגיים ו HFrEF באמצעות אופטימיזציה של שתיים או שלושה אלמנטים אנלוגי חשמלי Windkessel מערכות^20,21,23,24. רוב הייצוגים הללו הם מודלים יוניים או דו-חדריים המבוססים על ניסוח זמן משתנה-elastance כדי לשחזר את הפעולה ההתכווצות של הלב ולהשתמש ביחסי נפח לחץ לא ליניארי סוף דיאסטולי כדי לתאר מילוי חדרי^25,26,27. מודלים מקיפים, הלוכדים את רשת הלב וכלי הדם המורכבת ומחקים הן את פעולת השאיבה האסטראלית והן את פעולת השאיבה בחדר, שימשו כפלטפורמות לבדיקות מכשירים. עם זאת, למרות גוף משמעותי של ספרות קיים סביב השדה של HFrEF, מעט מאוד במודלים silico של HFpEF הוצעו^{20,22,28,29,30,31}.

מודל מימדי נמוך של המודינמיקה HFpEF, שפותחה לאחרונה על ידי Burkhoff et al.³² ו Granegger et al.²⁸, יכול ללכוד את נפח הלחץ (PV) לולאות של הלב 4 תאים, סיכום מלא של המודינמיקה של פנוטיפים שונים של HFpEF. יתר על כן, הם מנצלים שלהם בפלטפורמת silico כדי להעריך את ההיתכנות של מכשיר מחזור הדם מכני עבור HFpEF, מחקר חישובי חלוצי של HFpEF למחקרים פיזיולוגיים, כמו גם פיתוח מכשיר. עם זאת, מודלים אלה אינם מסוגלים ללכוד את השינויים הדינמיים בזרימות הדם ואת הלחצים שנצפו במהלך התקדמות המחלה. מחקר שנערך לאחרונה על ידי Kadry et al.³⁰ לוכד את הפנוטיפים השונים של תפקוד דיאסטולי על ידי התאמת הרפיה פעילה של שריר הלב ואת הנוקשות הפסיבית של החדר השמאלי על מודל מימדי נמוך. עבודתם מספקת ניתוח המודינמי מקיף של תפקוד דיאסטולי המבוסס הן על המאפיינים הפעילים והן על המאפיינים הפסיביים של שריר הלב. באופן דומה, הספרות של מודלים מימדיים גבוהים התמקדה בעיקר HFrEF^{19,33,34,35,36,37}. Bakir et al.³³ הציע דגם FEA של נוזל לב משולב במלואו כדי לחזות את הפרופיל המודינמי HFrEF ואת היעילות של מכשיר סיוע חדרי שמאלי (LVAD). מודל דו-חדרי זה (או דו-תאי) השתמש במעגל וינדקסל משולב כדי לדמות את המודינמיקה של הלב הבריא, HFrEF ו- HFrEF עם תמיכה LVAD^33,37.

באופן דומה, סאק ואח ‘³⁵ פיתחו מודל דו-חדרי כדי לחקור תפקוד לקוי של חדרי ימין. הגיאומטריה הדו-חדרית שלהם התקבלה מנתוני הדמיית התהודה המגנטית (MRI) של המטופל, ורשת היסוד הסופית של הדגם נבנתה באמצעות פילוח תמונה כדי לנתח את המודינמיקה של חדר ימני כושל³⁵הנתמך על ידי VAD . ארבעה תאים FEA גישות לב פותחו כדי לשפר את הדיוק של מודלים של ההתנהגות האלקטרומכנית של הלב^19,34. בניגוד לתיאורים דו-חדריים, מודלים של ארבעה תאים שמקורם ב- MRI של הלב האנושי מספקים ייצוג טוב יותר של האנטומיה הקרדיווסקולרית¹⁸. מודל הלב המועסקים בעבודה זו הוא דוגמה מבוססת למודל FEA בן ארבעה תאים. שלא כמו מודלים FEA עם פרמטרים גושיים וביונטריקולריים, ייצוג זה לוכד שינויים המודינמיים כפי שהם מתרחשים במהלך התקדמות המחלה^34,37. Genet et al.³⁴, למשל, השתמש באותה פלטפורמה כדי ליישם מודל צמיחה מספרי של השיפוץ שנצפה ב- HFrEF ו- HFpEF. עם זאת, מודלים אלה להעריך את ההשפעות של היפרטרופיה לב על מכניקה מבנית בלבד ואינם מספקים תיאור מקיף של המודינמיקה הקשורים.

כדי לטפל בהיעדר HFpEF במודלים silico בעבודה זו, מודל הפרמטרים גוש שפותח בעבר על ידי קבוצה זו¹⁵ ואת מודל FEA נקראו מחדש כדי לדמות את הפרופיל המודינמי של HFpEF. למטרה זו, היכולת של כל דגם לדמות המודינמיקה לב וכלי דם בבסיס תודגם לראשונה. ההשפעות של היצרות הנגרמת על ידי היצרות עומס לחץ חדרי שמאלי של ציות חדרי שמאל מופחת עקב שיפוץ לב-סימן היכר טיפוסי של HFpEF-לאחר מכן יוערך.