Kalp yetmezliği, vücudun metabolik taleplerine ayak uydurmak için kalbin yeterince pompalayamaması veya doldurulamaması durumunda ortaya çıkan dünya çapında önde gelen bir ölüm nedenidir. Fırlatma fraksiyonu, yani, her kasılma ile atılan sol ventrikülde depolanan göreceli kan miktarı, (i) azaltılmış ejeksiyon fraksiyonu (HFrEF) ile kalp yetmezliği ve (ii) korunmuş ejeksiyon fraksiyonu (HFpEF) ile kalp yetmezliği, sırasıyla^1,2,3’tenküçük veya daha büyük ejeksiyon fraksiyonları için klinik olarak kullanılır. HFpEF belirtileri genellikle aort darlığı, hipertansiyon ve sol ventrikül çıkış yolu tıkanıklığı 3 , 4 ,^5,6,7dahil olmak üzere çeşitli durumlardan kaynaklanabilen sol ventrikül basıncı aşırı yüklenmesine yanıt olarak^gelişir. Basınç aşırı yüklemesi, sol ventrikül duvarının kalınlaşmasına (eşmerkezli yeniden şekillendirme) ve nihayetinde duvar sertleştirmesine veya uyum kaybına yol açan bir dizi moleküler ve hücresel sapmaya yol haline gelir^8,9,10. Bu biyomekanik değişiklikler kardiyovasküler hemodinamikleri derinden etkiler, çünkü yüksek bir son diyastolik basınç hacmi ilişkisine ve son diyastolik hacmin azalmasına neden olurlar¹¹.

Kardiyovasküler sistemin hesaplamalı modellemesi, hem fizyolojide hem de hastalıkta kan basıncı ve akışlarının anlaşılmasını geliştirmiş ve tanısal ve terapötik stratejilerin geliştirilmesini teşvik¹². Siliko modellerinde düşük veya yüksek boyutlu modeller sınıflandırılır, birincisi düşük hesaplamalı taleple küresel hemodinamik özellikleri değerlendirmek için analitik yöntemlerden yararlanır ve ikincisi 2D veya 3D etki alanındaki kardiyovasküler mekanik ve hemodinamiklerin daha kapsamlı bir çok ölçekli ve çok fizikli tanımını sağlar¹³. Topaklanmış parametre Windkessel gösterimi, düşük boyutlu açıklamalar arasında en yaygın olanıdır. Elektrik devresi benzetmesine (Ohm yasası) dayanarak, bu, dirençli, kapasitif ve endüktif elemanların bir kombinasyonu ile kardiyovasküler sistemin genel hemodinamik davranışını taklit eder¹⁴. Bu grup tarafından yapılan yeni bir çalışma, hidrolik alanda, büyük damar-kalp odalarının ve kapakçıklarının geometri ve mekaniğindeki değişikliklerin geleneksel elektrik analog modellerinden daha sezgisel bir şekilde modellenmesini sağlayan alternatif bir Windkessel modeli önermektedir. Bu simülasyon nesne yönelimli bir sayısal çözücü üzerinde geliştirilmiştir (Bkz. Malzeme Tablosu)ve normal hemodinamik, kardiyorespiratuar kavramanın fizyolojik etkileri, tek kalp fizyolojisinde solunum tahrikli kan akışı ve aort daralmasına bağlı hemodinamik değişiklikleri yakalayabilir. Bu açıklama, kalp yetmezliği de dahil olmak üzere bir patolojik durum yelpazesini modellemek için fiziksel olarak sezgisel bir yaklaşım sunarak topaklanmış parametre modellerinin yeteneklerini genişletir¹⁵.

Yüksek boyutlu modeller, mekansal hemodynamik ve akışkan yapısı etkileşimlerini hesaplamak için FEA’ya dayanmaktadır. Bu temsiller, yerel kan akışı alanının ayrıntılı ve doğru açıklamalarını sağlayabilir; ancak, düşük hesaplama verimliliği nedeniyle, tüm kardiyovasküler ağacın çalışmaları için uygun değildir^16,17. Elektro-mekanik tepki, yapısal deformasyonlar ve sıvı boşluğu tabanlı hemodinamikleri entegre eden 4 odalı yetişkin insan kalbinin anatomik olarak doğru bir FEA platformu olarak bir yazılım paketi (bkz. Malzeme Tablosu)kullanıldı. Uyarlanmış insan kalp modeli ayrıca farklı sıvı boşlukları arasındaki akış değişimini tanımlayan basit bir topaklanmış parametre modeli ve kalp dokusunun tam bir mekanik karakterizasyonundan oluşur^18,19.

Hemodinamik anormallikleri yakalamak ve terapötik stratejileri değerlendirmek için, özellikle HFrEF^{20 , 21 , 22,23,24}için mekanik dolaşım destek cihazları bağlamında çeşitli topaklanmış parametre ve FEA kalp yetmezliği modelleri^formüleedilmiştir. Bu nedenle, çeşitli karmaşıklıklarda geniş bir 0D topaklanmış parametre modeli dizisi, iki veya üç elemanlı elektrik analog Windkessel sistemlerinin optimizasyonu yoluyla insan kalbinin fizyolojik ve HFrEF koşullarında hemodinamiklerini başarıyla yakalamıştır²⁰,^21,23,24. Bu gösterimlerin çoğu, kalbin contractile eylemini yeniden üretmek ve ventrikül dolgusunu tanımlamak için doğrusal olmayan bir son diyastolik basınç hacmi ilişkisi kullanmak için zaman değişen-elastance formülasyonuna dayanan tek veya biventriküler modellerdir^25,26,27. Karmaşık kardiyovasküler ağı yakalayan ve hem atriyal hem de ventrikül pompalama eylemini taklit eden kapsamlı modeller, cihaz testleri için platform olarak kullanılmıştır. Bununla birlikte, HFrEF alanında önemli bir literatür gövdesi olmasına rağmen, HFpEF’in siliko modellerinde çok az sayıda^{20 , 22,28,29},^30,31önerilmiştir.

Son zamanlarda Burkhoff ve ark.³² ve Granegger ve ark.²⁸tarafından geliştirilen HFpEF hemodinamiklerinin düşük boyutlu bir modeli, 4 odalı kalbin basınç hacmi (PV) döngülerini yakalayabilir ve HFpEF’in çeşitli fenotiplerinin hemodinamiği tamamen nüksedebilir. Ayrıca, HFpEF için mekanik bir dolaşım cihazının fizibilitesini değerlendirmek için siliko platformlarını kullanırlar, HFpEF’in fizyoloji çalışmaları ve cihaz geliştirme için hesaplamalı araştırmalarına öncülük ederler. Bununla birlikte, bu modeller hastalığın ilerlemesi sırasında gözlenen kan akışlarındaki ve basınçlardaki dinamik değişiklikleri yakalayamamaktadır. Kadry ve ark.³⁰ tarafından yapılan yeni bir çalışma, miyokardın aktif gevşemesini ve sol ventrikülün pasif sertliğini düşük boyutlu bir modelde ayarlayarak diyastolik disfonksiyonun çeşitli fenotiplerini yakalar. Çalışmaları, miyokardın hem aktif hem de pasif özelliklerine dayanarak diyastolik disfonksiyonun kapsamlı bir hemodinamik analizini sağlar. Benzer şekilde, yüksek boyutlu modellerin literatürü öncelikle HFrEF^19,33 ,^34,35,36,37‘^{yeodaklanmıştır.} Bakir ve ark.^33, HFrEF hemodinamik profilini ve sol-ventrikül destek cihazının (LVAD) etkinliğini tahmin etmek için tam bağlantılı bir kardiyak sıvı-elektromekanik FEA modeli önerdi. Bu biventriküler (veya iki odalı) model, sağlıklı kalbin hemodinamiklerini simüle etmek için birleştirilmiş Windkessel devresi kullandı, HFrEF ve HFrEF LVAD desteği ile^33,37.

Benzer şekilde, Sack ve ark.³⁵ sağ ventrikül disfonksiyonu araştırmak için bir biventriküler model geliştirdi. Biventriküler geometrileri bir hastanın manyetik rezonans görüntüleme (MRG) verilerinden elde edildi ve modelin sonlu eleman ağı, VAD destekli başarısız sağ ventrikül^35’inhemodinamiklerini analiz etmek için görüntü segmentasyonu kullanılarak inşa edildi. Kalbin elektromekanik davranış modellerinin doğruluğunu artırmak için dört odalı FEA kardiyak yaklaşımlar geliştirilmiştir^19,34. Biventriküler açıklamaların aksine, insan kalbinin MRI türevli dört odacı modelleri kardiyovasküler anatominin daha iyi bir temsilini sağlar¹⁸. Bu çalışmada kullanılan kalp modeli, dört odalı bir FEA modelinin yerleşik bir örneğidir. Topaklanmış parametre ve biventriküler FEA modellerinin aksine, bu gösterim hemodinamik değişiklikleri hastalığın ilerlemesi sırasında meydana geldikçe yakalar^34,37. Genet ve ark.³⁴, örneğin, HFrEF ve HFpEF’de gözlenen yeniden modellemenin sayısal bir büyüme modelini uygulamak için aynı platformu kullandı. Bununla birlikte, bu modeller kardiyak hipertrofinin sadece yapısal mekanik üzerindeki etkilerini değerlendirir ve ilişkili hemodinamiklerin kapsamlı bir tanımını sağlamaz.

Bu çalışmadaki siliko modellerinde HFpEF eksikliğini gidermek için, daha önce bu grup¹⁵ tarafından geliştirilen topaklanmış parametre modeli ve FEA modeli, HFpEF’in hemodinamik profilini simüle etmek için yeniden hazır hale getirildi. Bu amaçla, her modelin kardiyovasküler hemodinamikleri taban çizgisine simüle etme yeteneği ilk kez gösterilecektir. Stenoz kaynaklı sol ventrikül basıncı aşırı yüklenmesi ve kardiyak remodelinge bağlı olarak sol ventrikül uyumunun azalmasının etkileri-HFpEF’nin tipik bir özelliği daha sonra değerlendirilecektir.