تجميع المعلمة ونمذجة عنصر محدود من فشل القلب مع الحفاظ على كسر طرد

قصور القلب هو السبب الرئيسي للوفاة في جميع أنحاء العالم، والذي يحدث عندما يكون القلب غير قادر على ضخ أو ملء كافية لمواكبة المطالب الأيضية للجسم. يتم استخدام كسر القذف ، أي الكمية النسبية من الدم المخزن في البطين الأيسر التي يتم إخراجها مع كل انكماش سريريا لتصنيف فشل القلب إلى (1) فشل القلب مع انخفاض كسر القذف (HFrEF) و (2) فشل القلب مع كسر القذف المحفوظ (HFpEF) ، لكسور القذف أقل من أو أكبر من 45 ٪ ، على التوالي^1،2،3. أعراض HFpEF غالبا ما تتطور استجابة للضغط البطيني الأيسر الزائد, والتي يمكن أن تكون ناجمة عن عدة ظروف بما في ذلك تضيق الأبهر, ارتفاع ضغط الدم, واليسار انسداد المسالك تدفق البطين^3,4,5,6,7. الضغط الزائد يدفع سلسلة من الانحرافات الجزيئية والخلوية، مما يؤدي إلى سماكة الجدار البطيني الأيسر (إعادة عرض متحدة المركز) وفي نهاية المطاف، إلى تصلب الجدار أو فقدان^{الامتثال 8،9،10}. هذه التغيرات الميكانيكية الحيوية تؤثر تأثيرا عميقا على الديناميكا الدموية القلبية الوعائية لأنها تؤدي إلى ارتفاع نهاية الضغط الانبساطي حجم العلاقة وفي الحد من حجم نهاية الانبساطي¹¹.

وقد أدى النمذجة الحسابية لنظام القلب والأوعية الدموية إلى تطوير فهم ضغط الدم والتدفقات في كل من علم وظائف الأعضاء والمرض وعززت تطوير استراتيجيات التشخيص والعلاج¹². في نماذج سيليكو تصنف إلى نماذج منخفضة أو عالية الأبعاد، مع استخدام الأول أساليب تحليلية لتقييم الخصائص العالمية للمودية مع انخفاض الطلب الحسابي، والثاني توفير وصف متعدد المقاييس والفيزياء أكثر شمولا من ميكانيكا القلب والأوعية الدموية والديناميكا الدموية في المجال 2D أو 3D¹³. تمثيل Windkessel المعلمة المقطوعة هو الأكثر شيوعا بين الأوصاف منخفضة الأبعاد. استنادا إلى القياس الدائرة الكهربائية (قانون أوم)، وهذا يحاكي السلوك الدموي العام لنظام القلب والأوعية الدموية من خلال مزيج من المقاومة، والعناصر السعائية، والإستقرائية¹⁴. وقد اقترحت دراسة حديثة أجرتها هذه المجموعة نموذج ويندكيسل بديل في المجال الهيدروليكي الذي يسمح بنمذجة التغيرات في هندسة وميكانيكا غرف الأوعية والقلب الكبيرة والصمامات بطريقة أكثر بديهية من النماذج التناظرية الكهربائية التقليدية. تم تطوير هذه المحاكاة على حلال رقمي موجه نحو الجسم (انظر جدول المواد)ويمكن التقاط الديناميكا الدموية العادية ، والآثار الفسيولوجية للاقتران القلبي التنفسي ، وتدفق الدم المدفوع بالجهاز التنفسي في فسيولوجيا القلب الواحد ، والتغيرات الديناميكية الدموية بسبب انقباض الأبهر. هذا الوصف يتوسع في قدرات نماذج المعلمة المقطوعة من خلال تقديم نهج بديهية جسديا لنموذج طيف من الحالات المرضية بما في ذلك فشل القلب¹⁵.

وتستند نماذج عالية الأبعاد على FEA لحساب الديناميكا الدموية الصدغية والتفاعلات بنية السوائل. ويمكن أن تقدم هذه التمثيلات وصفا مفصلا ودقيقا لحقل تدفق الدم المحلي؛ ومع ذلك ، نظرا لانخفاض كفاءتها الحسابية ، فهي ليست مناسبة لدراسات شجرة القلب والأوعية الدموية بأكملها^16،17. تم استخدام حزمة برامج (انظر جدول المواد)كمنصة FEA دقيقة تشريحيا لقلب الإنسان البالغ من 4 غرف ، والذي يدمج الاستجابة الكهربائية والميكايكية ، والتشوهات الهيكلية ، والديناميكا الدموية القائمة على تجويف السوائل. نموذج القلب البشري تكييفها يضم أيضا نموذج بسيط جمعت المعلمة التي تحدد تبادل تدفق بين تجاويف السوائل المختلفة، فضلا عن توصيف الميكانيكية كاملة من الأنسجة القلبية^18،19.

وقد صيغت عدة نماذج المعلمة المقطوعة وFEA من قصور القلب لالتقاط تشوهات الدم وتقييم الاستراتيجيات العلاجية، لا سيما في سياق أجهزة المساعدة الدورة الدموية الميكانيكية لHFrEF^{20،21،22،23،24}. مجموعة واسعة من نماذج 0D مجمع المعلمة من مختلف التعقيدات وبالتالي استولت بنجاح على الديناميكا الدموية للقلب البشري في الظروف الفسيولوجية وHFrEF عن طريق التحسين من اثنين أو ثلاثة عناصر الكهربائية التناظرية أنظمة Windkessel^{20،21،23،24}. غالبية هذه التمثيلات هي نماذج أحادية أو ثنائية البطين على أساس صياغة اختلاف الإلستيانس الوقت لإعادة إنتاج العمل الانكماشي للقلب واستخدام علاقة غير خطية نهاية الضغط الانبساطي حجم لوصف ملء البطين^25،26،27. وقد استخدمت نماذج شاملة، والتي تلتقط شبكة القلب والأوعية الدموية المعقدة وتحاكي كل من عمل الضخ الأذيني والبطيني، كمنصات لاختبار الأجهزة. ومع ذلك، على الرغم من وجود مجموعة كبيرة من الأدب حول مجال HFrEF، وقد اقترح عدد قليل جدا في نماذج سيليكو من HFpEF^{20،22،28،29،30،31}.

نموذج منخفض الأبعاد من الديناميكا الدموية HFpEF، التي وضعتها مؤخرا Burkhoff^{وآخرون. 32} وGranegger وآخرون.^28،يمكن التقاط حلقات حجم الضغط (PV) من القلب 4 غرف، إعادة رسملة تماما الديناميكا الدموية من الأنماط الظاهرية المختلفة من HFpEF. وعلاوة على ذلك، فإنها تستخدم منصة سيليكو لتقييم جدوى جهاز الدورة الدموية الميكانيكية لHFpEF، والبحوث الحسابية الرائدة من HFpEF لدراسات علم وظائف الأعضاء، فضلا عن تطوير الجهاز. ومع ذلك، لا تزال هذه النماذج غير قادرة على التقاط التغيرات الديناميكية في تدفقات الدم والضغوط التي لوحظت أثناء تطور المرض. دراسة حديثة أجراها قادري وآخرون³⁰ يلتقط الأنماط الظاهرية المختلفة للخلل الانبساطي عن طريق ضبط الاسترخاء النشط للشغاف والتصلب السلبي للبطين الأيسر على نموذج منخفض الأبعاد. يوفر عملهم تحليلا ديناميكيا شاملا للخلل الانبساطي استنادا إلى الخصائص النشطة والسلبية للشغاف. وبالمثل، ركزت أدبيات النماذج عالية الأبعاد في المقام الأول على HFrEF^{19،33،34،35،36،37}. اقترح بكير وآخرون³³ نموذج FEA للسائل القلبي المقترن بالكامل للتنبؤ بالملف الحيوي HFrEF وفعالية جهاز مساعدة البطين الأيسر (LVAD). هذا النموذج ثنائي البطين (أو غرفتين) تستخدم دائرة Windkessel مقرونة لمحاكاة الديناميكا الدموية للقلب صحية, HFrEF وHFrEF مع دعم LVAD^33,37.

وبالمثل، طور ساك وآخرون³⁵ نموذجا ثنائي البطين للتحقيق في الخلل البطيني الأيمن. تم الحصول على هندستها ثنائية البطين من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي للمريض (MRI) ، وتم بناء شبكة العنصر المحدود للنموذج باستخدام تجزئة الصورة لتحليل الديناميكا الدموية للبطين الأيمن الفاشل المدعوم من VAD^35. وقد وضعت أربع غرف FEA نهج القلب لتعزيز دقة نماذج السلوك الكهروميكاني للقلب^19،34. على النقيض من الأوصاف ثنائية البطين ، توفر نماذج أربع غرف مشتقة من التصوير بالرنين المغناطيسي لقلب الإنسان تمثيلا أفضل لتشريح القلب والأوعية الدموية^18. نموذج القلب المستخدمة في هذا العمل هو مثال راسخ لنموذج FEA من أربع غرف. وخلافا لنماذج FEA المعلمة المقطوعة وبطين البطين، وهذا التمثيل يلتقط التغيرات في الدم لأنها تحدث أثناء تطور المرض^34،37. على سبيل المثال، استخدمت Genet et al.³⁴نفس المنصة لتنفيذ نموذج النمو العددي لإعادة التصميم الذي لوحظ في HFrEF و HFpEF. ومع ذلك، فإن هذه النماذج تقييم آثار تضخم القلب على الميكانيكا الهيكلية فقط ولا توفر وصفا شاملا للديناميكا الدموية المرتبطة بها.

لمعالجة عدم وجود HFpEF في نماذج سيليكو في هذا العمل، تم إعادة تجهيز نموذج المعلمة المجمعة التي وضعتها سابقا هذه المجموعة¹⁵ ونموذج FEA لمحاكاة الملف الشخصي للموديلاميكية ل HFpEF. وتحقيقا لهذه الغاية، سيتم إثبات قدرة كل نموذج على محاكاة الديناميكا الدموية القلبية الوعائية عند خط الأساس لأول مرة. آثار تضيق الناجمة عن الضغط البطيني الأيسر الزائد وتناقص الامتثال البطين الأيسر بسبب إعادة عرض القلب- السمة المميزة النموذجية لHFpEF-سيتم تقييمها بعد ذلك.