Parâmetro-caroço e Modelagem de elemento finito de insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada

A insuficiência cardíaca é uma das principais causas de morte em todo o mundo, que ocorre quando o coração é incapaz de bombear ou preencher adequadamente para acompanhar as demandas metabólicas do corpo. A fração de ejeção, ou seja, a quantidade relativa de sangue armazenada no ventrículo esquerdo que é ejetada a cada contração é usada clinicamente para classificar a insuficiência cardíaca em (i) insuficiência cardíaca com fração de ejeção reduzida (HFrEF) e (ii) insuficiência cardíaca com fração de ejeção preservada (HFpEF), para frações de ejeção inferiores ou superiores a 45%,^{respectivamente 1,2,3}. Os sintomas do HFpEF frequentemente se desenvolvem em resposta à sobrecarga de pressão ventricular esquerda, que pode ser causada por várias condições, incluindo estenose aórtica, hipertensão e obstrução do trato de saída ventricular esquerda^3,4,5,6,7. A sobrecarga de pressão impulsiona uma cascata de aberrações moleculares e celulares, levando ao espessamento da parede ventricular esquerda (remodelagem concêntrica) e, finalmente, ao enrijecimento da parede ou perda de conformidade^8,9,10. Essas alterações biomecânicas afetam profundamente a hemodinâmica cardiovascular, pois resultam em uma relação elevada de aumento do volume de pressão diastólica e na redução do volume diastólico final¹¹.

A modelagem computacional do sistema cardiovascular avançou na compreensão das pressões e fluxos sanguíneos tanto na fisiologia quanto na doença e tem fomentado o desenvolvimento de estratégias diagnósticas e terapêuticas¹². Em modelos silico são classificados em modelos de baixa ou alta dimensão, com o primeiro utilizando métodos analíticos para avaliar propriedades hemodinâmicas globais com baixa demanda computacional e este último fornecendo uma descrição multiescala e multifísica mais extensa da mecânica cardiovascular e hemodinâmica no domínio 2D ou 3D¹³. A representação de Windkessel com parâmetros é a mais comum entre as descrições de baixa dimensão. Com base na analogia do circuito elétrico (lei de Ohm), isso imita o comportamento hemodinâmico geral do sistema cardiovascular através de uma combinação de elementos resistivos, capacitivos e indutivos¹⁴. Um estudo recente deste grupo propôs um modelo alternativo windkessel no domínio hidráulico que permite a modelagem de mudanças na geometria e mecânica de grandes vasos-câmaras cardíacas e válvulas – de forma mais intuitiva do que os modelos analógicos elétricos tradicionais. Esta simulação é desenvolvida em um solucionador numérico orientado a objetos (ver a Tabela de Materiais) e pode capturar a hemodinâmica normal, efeitos fisiológicos do acoplamento cardiorrespiratório, fluxo sanguíneo respiratório na fisiologia uni-cardíaca e alterações hemodinâmicas devido à constrição aórtica. Esta descrição expande-se sobre as capacidades de modelos de parâmetros agrupados, oferecendo uma abordagem fisicamente intuitiva para modelar um espectro de condições patológicas, incluindo insuficiência cardíaca¹⁵.

Modelos de alta dimensão são baseados na FEA para calcular hemodinâmica esposteral e interações de estrutura fluida. Essas representações podem fornecer descrições detalhadas e precisas do campo de fluxo sanguíneo local; no entanto, devido à sua baixa eficiência computacional, eles não são adequados para estudos de toda a árvore cardiovascular^16,17. Um pacote de software (ver a Tabela de Materiais) foi empregado como uma plataforma FEA anatomicamente precisa do coração humano adulto de 4 câmaras, que integra a resposta eletromecânica, deformações estruturais e hemodinâmica baseada em cavidade fluida. O modelo de coração humano adaptado também compreende um modelo simples de parâmetros amontoados que define a troca de fluxo entre as diferentes cavidades fluidas, bem como uma caracterização mecânica completa do tecido cardíaco^18,19.

Vários modelos de metametro e FEA de insuficiência cardíaca foram formulados para capturar anormalidades hemodinâmicas e avaliar estratégias terapêuticas, particularmente no contexto de dispositivos de assistência circulatória mecânica para HFrEF^{20,21,22,23,24}. Uma ampla gama de modelos de parâmetros 0D de várias complexidades capturou com sucesso a hemodinâmica do coração humano em condições fisiológicas e HFrEF através da otimização de dois ou três elementos sistemas analógicos elétricos Windkessel^20,21,23,24. A maioria dessas representações são modelos uni ou biventriculares baseados na formulação de tempo variando-elastância para reproduzir a ação contratil do coração e usar uma relação de pressão-volume não linear para descrever o preenchimento ventricular^25,26,27. Modelos abrangentes, que capturam a complexa rede cardiovascular e imitam a ação de bombeamento atrial e ventricular, têm sido usados como plataformas para testes de dispositivos. No entanto, embora exista um corpo significativo de literatura no campo da HFrEF, muito poucos em modelos silico de HFpEF foram propostos^{20,22,28,29,30,31}.

Um modelo de baixa dimensão da hemodinâmica HFpEF, recentemente desenvolvido por Burkhoff et al.³² e Granegger et al.^28,pode capturar os laços de volume de pressão (PV) do coração de 4 câmaras, recapitulando totalmente a hemodinâmica de vários fenótipos de HFpEF. Além disso, utilizam sua plataforma em silico para avaliar a viabilidade de um dispositivo circulatório mecânico para hfpef, pesquisa computacional pioneira do HFpEF para estudos de fisiologia, bem como desenvolvimento de dispositivos. No entanto, esses modelos permanecem incapazes de captar as mudanças dinâmicas nos fluxos sanguíneos e pressões observadas durante a progressão da doença. Um estudo recente de Kadry et al.³⁰ captura os vários fenótipos de disfunção diastólica ajustando o relaxamento ativo do miocárdio e a rigidez passiva do ventrículo esquerdo em um modelo de baixa dimensão. Seu trabalho fornece uma análise hemodinâmica abrangente da disfunção diastólica com base nas propriedades ativas e passivas do miocárdio. Da mesma forma, a literatura de modelos de alta dimensão tem focado principalmente em HFrEF^{19,33,34,35,36,37}. Bakir et al.³³ propuseram um modelo FEA de fluido cardíaco totalmente acoplado para prever o perfil hemodinâmico HFrEF e a eficácia de um dispositivo de assistência à esquerda-ventricular (LVAD). Este modelo biventricular (ou duas câmaras) utilizou um circuito windkessel acoplado para simular a hemodinâmica do coração saudável, HFrEF e HFrEF com suporte LVAD^33,37.

Da mesma forma, Sack et al.³⁵ desenvolveram um modelo biventricular para investigar disfunção ventricular direita. Sua geometria biventricular foi obtida a partir dos dados de ressonância magnética (RM) do paciente, e a malha de elemento finito do modelo foi construída usando segmentação de imagem para analisar a hemodinâmica de um ventrículo direito com falha suportada pelo VAD³⁵. Abordagens cardíacas FEA de quatro câmaras foram desenvolvidas para melhorar a precisão dos modelos do comportamento eletromecânico do coração^19,34. Em contraste com as descrições biventriculares, modelos de quatro câmaras derivadas da ressonância magnética do coração humano fornecem uma melhor representação da anatomia cardiovascular¹⁸. O modelo cardíaco empregado neste trabalho é um exemplo estabelecido de um modelo FEA de quatro câmaras. Ao contrário dos modelos FEA de parâmetros e biventriculares, essa representação captura alterações hemodinâmicas à medida que ocorrem durante a progressão da doença^34,37. Genet et al.³⁴, por exemplo, utilizaram a mesma plataforma para implementar um modelo de crescimento numérico da remodelagem observada no HFrEF e HFpEF. No entanto, esses modelos avaliam os efeitos da hipertrofia cardíaca apenas na mecânica estrutural e não fornecem uma descrição abrangente da hemodinâmica associada.

Para suprida a falta de HFpEF em modelos de silico neste trabalho, o modelo de parâmetros agrupados anteriormente desenvolvido por este grupo¹⁵ e o modelo FEA foram readaptados para simular o perfil hemodinâmico da HFpEF. Para isso, a capacidade de cada modelo de simular hemodinâmica cardiovascular na linha de base será demonstrada pela primeira vez. Os efeitos da sobrecarga de pressão ventricular esquerda induzida por estenose e da diminuição da conformidade ventricular esquerda devido à remodelagem cardíaca – uma marca típica do HFpEF – serão então avaliados.