Hjertesvikt er en ledende dødsårsak over hele verden, som oppstår når hjertet ikke er i stand til å pumpe eller fylle tilstrekkelig for å holde tritt med kroppens metabolske krav. Ejeksjonsfraksjonen, det vil si den relative mengden blod som er lagret i venstre ventrikel som kastes ut med hver sammentrekning, brukes klinisk for å klassifisere hjertesvikt i (i) hjertesvikt med redusert ejeksjonsfraksjon (HFrEF) og (ii) hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon (HFpEF), for ejeksjonsfraksjoner mindre enn eller større enn 45%, henholdsvis^1,2,3. Symptomer på HFpEF utvikler seg ofte som svar på venstre ventrikulær trykkoverbelastning, som kan skyldes flere forhold, inkludert aortastenose, hypertensjon og venstre ventrikulær utstrømningskanalobstruksjon^3,4,5,6,7. Trykkoverbelastning driver en kaskade av molekylære og cellulære avvik, noe som fører til fortykning av venstre ventrikkelvegg (konsentrisk ombygging) og til slutt til veggstivning eller tap av samsvar^8,9,10. Disse biomekaniske endringene påvirker kardiovaskulær hemodynamikk dypt, da de resulterer i et forhøyet endediastolisk trykkvolumforhold og i en reduksjon av sluttdiastolisk volum¹¹.

Beregningsmodellering av kardiovaskulærsystemet har avansert forståelsen av blodtrykk og strømmer i både fysiologi og sykdom og har fremmet utviklingen av diagnostiske og terapeutiske strategier¹². I silico modeller er klassifisert i lav- eller høydimensjonale modeller, med tidligere ved hjelp av analytiske metoder for å evaluere globale hemodynamiske egenskaper med lav beregningsbehov og sistnevnte gir en mer omfattende multiskala og multifysikk beskrivelse av kardiovaskulær mekanikk og hemodynamikk i 2D eller 3D-domene¹³. Den klumpede parameteren Windkessel-representasjon er den vanligste blant de lavdimensjonale beskrivelsene. Basert på den elektriske kretsanalogien (Ohms lov), etterligner dette kardiovaskulærsystemets generelle hemodynamiske oppførsel gjennom en kombinasjon av resistiv, kapasitiv og induktive elementer¹⁴. En fersk studie fra denne gruppen har foreslått en alternativ Windkessel-modell i det hydrauliske domenet som gjør det mulig å modellere endringer i geometrien og mekanikken til store fartøy-hjertekamre og ventiler på en mer intuitiv måte enn tradisjonelle elektriske analoge modeller. Denne simuleringen er utviklet på en objektorientert numerisk problemløser (se materialtabellen) og kan fange den normale hemodynamikken, fysiologiske effekter av kardiorespiratorisk kobling, respiratorisk drevet blodstrøm i enkelthjertefysiologi og hemodynamiske endringer på grunn av aortainnsnevring. Denne beskrivelsen utvider mulighetene til klumpede parametermodeller ved å tilby en fysisk intuitiv tilnærming til å modellere et spekter av patologiske forhold, inkludert hjertesvikt¹⁵.

Høydimensjonale modeller er basert på FEA for å beregne romlig hemodynamikk og væskestrukturinteraksjoner. Disse representasjonene kan gi detaljerte og nøyaktige beskrivelser av det lokale blodstrømfeltet; På grunn av deres lave beregningseffektivitet er de imidlertid ikke egnet for studier av hele kardiovaskulærtreet^16,17. En programvarepakke (se materialtabellen) ble brukt som en anatomisk nøyaktig FEA-plattform av det 4-kammer voksne menneskehjertet, som integrerer elektromekanisk respons, strukturelle deformasjoner og væskehulebasert hemodynamikk. Den tilpassede menneskelige hjertemodellen består også av en enkel klumpet parametermodell som definerer strømningsutvekslingen mellom de forskjellige væskehulene, samt en fullstendig mekanisk karakterisering av hjertevevet^18,19.

Flere klumpete parameter- og FEA-modeller av hjertesvikt er formulert for å fange hemodynamiske abnormiteter og evaluere terapeutiske strategier, spesielt i sammenheng med mekaniske sirkulasjonsassistanseenheter for HFrEF^{20,21,22,23,24}. Et bredt utvalg av 0D klumpete parametermodeller av ulike kompleksiteter har derfor med hell fanget hemodynamikken til menneskehjertet i fysiologiske og HFrEF-forhold via optimalisering av to eller tre-element elektriske analoge Windkessel-systemer^20,21,23,24. De fleste av disse representasjonene er uni- eller biventrikulære modeller basert på tiden varierende elastansformulering for å reprodusere hjertets kontraktile virkning og bruke et ikke-lineært end-diastolisk trykkvolumforhold for å beskrive ventrikulær^{fylling 25,26,27}. Omfattende modeller, som fanger det komplekse kardiovaskulære nettverket og etterligner både atrie- og ventrikulær pumpevirkning, har blitt brukt som plattformer for enhetstesting. Likevel, selv om det finnes en betydelig litteratur rundt HFrEF-feltet, er det foreslått svært få i silicomodeller av HFpEF^{20,22,28,29,30,31}.

En lavdimensjonal modell av HFpEF hemodynamikk, nylig utviklet av Burkhoff et al.³² og Granegger et al.²⁸, kan fange trykkvolumet (PV) løkker av 4-kammerhjertet, fullt ut rekapitulere hemodynamikken til ulike fenotyper av HFpEF. Videre bruker de sin in silico-plattform for å evaluere muligheten for en mekanisk sirkulasjonsenhet for HFpEF, banebrytende beregningsforskning av HFpEF for fysiologistudier samt enhetsutvikling. Imidlertid er disse modellene fortsatt ikke i stand til å fange de dynamiske endringene i blodstrømmer og trykk observert under sykdomsprogresjon. En nylig studie av Kadry et al.³⁰ fanger de forskjellige fenotypene av diastolisk dysfunksjon ved å justere den aktive avslapningen av myokardiet og den passive stivheten til venstre ventrikel på en lavdimensjonal modell. Deres arbeid gir en omfattende hemodynamisk analyse av diastolisk dysfunksjon basert på både de aktive og passive egenskapene til myokardiet. På samme måte har litteraturen til høydimensjonale modeller primært fokusert på HFrEF^{19,33,34,35,36,37}. Bakir et al.³³ foreslo en fullkoblet FEA-modell for hjertevæske-elektromekanikk for å forutsi HFrEF hemodynamisk profil og effekten av en venstre ventrikkelhjelpeenhet (LVAD). Denne biventrikulære (eller tokammer) modellen brukte en koblet Windkessel krets for å simulere hemodynamikken i det sunne hjertet, HFrEF og HFrEF med LVAD-støtte^33,37.

På samme måte utviklet Sack et al.³⁵ en biventrikulær modell for å undersøke riktig ventrikulær dysfunksjon. Deres biventrikulære geometri ble hentet fra pasientens MAGNETISKE RESONANSavbildningsdata (MR), og modellens endelige elementnett ble konstruert ved hjelp av bildesegmentering for å analysere hemodynamikken til en VAD-støttet sviktende høyre ventrikel³⁵. Fire-kammer FEA hjerte tilnærminger er utviklet for å forbedre nøyaktigheten av modeller av den elektromekaniske oppførselen til hjertet^19,34. I motsetning til biventrikulære beskrivelser gir MR-avledede firekammermodeller av menneskehjertet en bedre representasjon av kardiovaskulær anatomi¹⁸. Hjertemodellen som brukes i dette arbeidet er et etablert eksempel på en firekammer FEA-modell. I motsetning til klumpete parametere og biventrikulære FEA-modeller, fanger denne representasjonen hemodynamiske endringer når de oppstår under sykdomsprogresjon^34,37. Genet et al.³⁴, for eksempel, brukte den samme plattformen til å implementere en numerisk vekstmodell av ombyggingen observert i HFrEF og HFpEF. Imidlertid evaluerer disse modellene effekten av hjertehypertrofi bare på strukturell mekanikk og gir ikke en omfattende beskrivelse av tilhørende hemodynamikk.

For å adressere mangelen på HFpEF i silicomodeller i dette arbeidet, ble den klumpede parametermodellen som tidligere ble utviklet av denne gruppe¹⁵ og FEA-modellen, lest for å simulere den hemodynamiske profilen til HFpEF. For dette formål vil hver modells evne til å simulere kardiovaskulær hemodynamikk ved baseline først bli demonstrert. Effektene av stenoseindusert venstre ventrikulær trykkoverbelastning og redusert venstre ventrikulær samsvar på grunn av hjerteoppussing – et typisk kjennetegn på HFpEF-vil da bli evaluert.