Modellazione a parametro raggruppato e elemento finito dell'insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata

L’insufficienza cardiaca è una delle principali cause di morte in tutto il mondo, che si verifica quando il cuore non è in grado di pompare o riempire adeguatamente per stare al passo con le esigenze metaboliche del corpo. La frazione di espulsione, cioè la quantità relativa di sangue immagazzinata nel ventricolo sinistro che viene espulso ad ogni contrazione viene utilizzata clinicamente per classificare l’insufficienza cardiaca in (i) insufficienza cardiaca con frazione di espulsione ridotta (HFrEF) e (ii) insufficienza cardiaca con frazione di espulsione preservata (HFpEF), per frazioni di espulsione inferiori o superiori al 45%,^{rispettivamente 1,2,3}. I sintomi dell’HFpEF si sviluppano spesso in risposta al sovraccarico di pressione ventricolare sinistra, che può essere causato da diverse condizioni tra cui stenosi aortica, ipertensione e ostruzione del tratto di deflusso ventricolare^{sinistro 3,4,5,6,7}. Il sovraccarico di pressione guida una cascata di aberrazioni molecolari e cellulari, portando all’ispessimento della parete ventricolare sinistra (rimodellamento concentrico) e, in definitiva, all’irrigidimento o alla perdita di^{conformità delle pareti 8,9,10}. Questi cambiamenti biomeccanici influenzano profondamente l’emodinamica cardiovascolare in quanto si traducono in un’elevata relazione pressione-volume diastolico finale e in una riduzione del volume end-diastolico¹¹.

La modellazione computazionale del sistema cardiovascolare ha avanzato la comprensione delle pressioni e dei flussi sanguigni sia in fisiologia che in malattia e ha favorito lo sviluppo di strategie diagnostiche e terapeutiche¹². Nei modelli silico sono classificati in modelli a bassa o alta dimensione, con i primi che utilizzano metodi analitici per valutare proprietà emodinamiche globali a bassa domanda computazionale e il secondo fornisce una descrizione multiscala e multifisica più ampia della meccanica cardiovascolare e dell’emodinamica nel dominio 2D o 3D¹³. La rappresentazione di Windkessel a parametro forfait è la più comune tra le descrizioni a bassa dimensione. Basato sull’analogia del circuito elettrico (legge di Ohm), questo imita il comportamento emodinamico complessivo del sistema cardiovascolare attraverso una combinazione di elementi resistivi, capacitivi e induttivi¹⁴. Un recente studio di questo gruppo ha proposto un modello windkessel alternativo nel settore idraulico che consente la modellazione di cambiamenti nella geometria e nella meccanica di grandi vasi-camere cardiache e valvole-in modo più intuitivo rispetto ai tradizionali modelli analogici elettrici. Questa simulazione è sviluppata su un risolutore numerico orientato agli oggetti (vedi tabella dei materiali)e può catturare la normale emodinamica, gli effetti fisiologici dell’accoppiamento cardiorespiratorio, il flusso sanguigno guidato dalle vie respiratorie nella fisiologia a cuore singolo e i cambiamenti emodinamici dovuti alla costrizione aortica. Questa descrizione espande le capacità dei modelli a parametro raggruppato offrendo un approccio fisicamente intuitivo per modellare uno spettro di condizioni patologiche tra cui l’insufficienza^{cardiaca 15}.

I modelli ad alta dimensione si basano su FEA per calcolare l’emodinamica spatiotemporale e le interazioni fluido-struttura. Queste rappresentazioni possono fornire descrizioni dettagliate e accurate del campo sanguigno locale; tuttavia, a causa della loro bassa efficienza computazionale, non sono adatti per studi sull’intero albero^{cardiovascolare 16,17}. Un pacchetto software (vedi tabella dei materiali)è stato utilizzato come piattaforma FEA anatomicamente accurata del cuore umano adulto a 4 camere, che integra la risposta elettromeccanica, le deformazioni strutturali e l’emodinamica basata sulla cavità fluida. Il modello di cuore umano adattato comprende anche un semplice modello a parametro grumoso che definisce lo scambio di flusso tra le diverse cavità del fluido, nonché una caratterizzazione meccanica completa del tessuto^{cardiaco 18,19}.

Sono stati formulati diversi modelli di insufficienza cardiaca a parametro forfait e FEA per catturare anomalie emodinamiche e valutare strategie terapeutiche, in particolare nel contesto di dispositivi meccanici di assistenza circolatoria per HFrEF^{20,21,22,23,24}. Un’ampia gamma di modelli di parametri raggruppati 0D di varie complessità ha quindi catturato con successo l’emodinamica del cuore umano in condizioni fisiologiche e HFrEF attraverso l’ottimizzazione di sistemi elettrici analogici Windkessel a due o^{tre elementi 20,21,23,24}. La maggior parte di queste rappresentazioni sono modelli uni- o biventricolari basati sulla formulazione di elastanza variabile nel tempo per riprodurre l’azione contrattile del cuore e utilizzare una relazione pressione-volume end-diastolica non lineare per descrivere il riempimento ventricolare^25,26,27. Modelli completi, che catturano la complessa rete cardiovascolare e imitano sia l’azione di pompaggio atriale che ventricolare, sono stati utilizzati come piattaforme per il test dei dispositivi. Tuttavia, sebbene esista un significativo corpus letterario intorno al campo dell’HFrEF, pochissimi nei modelli silico di HFpEF sono stati^{proposti 20,22,28,29,30,31}.

Un modello a bassa dimensionalità dell’emodinamica HFpEF, recentemente sviluppato da Burkhoffet^al. Inoltre, utilizzano la loro piattaforma in silico per valutare la fattibilità di un dispositivo circolatorio meccanico per HFpEF, pionieristica ricerca computazionale di HFpEF per studi fisiologici e sviluppo di dispositivi. Tuttavia, questi modelli rimangono incapaci di catturare i cambiamenti dinamici nei flussi sanguigni e nelle pressioni osservate durante la progressione della malattia. ^Un recente studio di Kadry et al. Il loro lavoro fornisce un’analisi emodinamica completa della disfunzione diastolica basata sulle proprietà attive e passive del miocardio. Allo stesso modo, la letteratura dei modelli ad alta dimensione si è concentrata principalmente su HFrEF^{19,33,34,35,36,37}. ³³ ha proposto un modello FEA di fluido cardiaco-elettromeccanica completamente accoppiato per prevedere il profilo emodinamico HFrEF e l’efficacia di un dispositivo di assistenza ventricolare sinistro (LVAD). Questo modello biventricolare (o a due camere) utilizzava un circuito accoppiato di Windkessel per simulare l’emodinamica del cuore sano, HFrEF e HFrEF con supporto LVAD^33,37.

Allo stesso modo, Sack et^al. La loro geometria biventricolare è stata ottenuta dai dati di risonanza magnetica (MRI) di un paziente, e la mesh a elementi finiti del modello è stata costruita usando la segmentazione dell’immagine per analizzare l’emodinamica di un ventricolo destro in fallimento supportato da VAD³⁵. Sono stati sviluppati approcci cardiaci FEA a quattro camere per migliorare l’accuratezza dei modelli del comportamento elettromeccanico^{del cuore 19,34}. In contrasto con le descrizioni biventricolari, i modelli a quattro camere derivati dalla risonanza testrizzazione del cuore umano forniscono una migliore rappresentazione dell’anatomia^{cardiovascolare 18}. Il modello cardiaco utilizzato in questo lavoro è un esempio consolidato di modello FEA a quattro camere. A differenza dei modelli FEA a parametro forfait e biventricolare, questa rappresentazione cattura i cambiamenti emodinamici man mano che si verificano durante la progressione^{della malattia 34,37}. ^{34 , ad esempio, utilizzava}la stessa piattaforma per implementare un modello numerico di crescita del rimodellamento osservato in HFrEF e HFpEF. Tuttavia, questi modelli valutano gli effetti dell’ipertrofia cardiaca solo sulla meccanica strutturale e non forniscono una descrizione completa dell’emodinamica associata.

Per far fronte alla mancanza di HFpEF nei modelli silico in questo lavoro, il modello a parametro forfait precedentemente sviluppato^{da questo gruppo 15} e il modello FEA sono stati riadattati per simulare il profilo emodinamico di HFpEF. A tal fine, verrà dimostrata per la prima volta la capacità di ogni modello di simulare l’emodinamica cardiovascolare al basale. Verranno quindi valutati gli effetti del sovraccarico di pressione ventricolare sinistro indotto dalla stenosi e della ridotta conformità ventricolare sinistra dovuta al rimodellamento cardiaco- un tipico segno distintivo dell’HFpEF.