Модель с сосредоточенными параметрами сердечно-сосудистой системы
Модель сердечно-сосудистой системы с сосредоточенными параметрами представляет собой нульмерную математическую модель, используемую для описания гемодинамики сердечно -сосудистой системы . Учитывая набор параметров, имеющих физический смысл (например, сопротивление току крови), он позволяет изучать изменения артериального давления или скорости кровотока во всей сердечно-сосудистой системе. [1] [2] Модифицируя параметры, можно изучить последствия конкретного заболевания . Например, артериальная гипертензия моделируется увеличением артериального сопротивления модели. [1]
Модель с сосредоточенными параметрами используется для изучения гемодинамики трехмерного пространства (сердечно-сосудистой системы) с помощью нульмерного пространства, использующего аналогию между трубами и электрическими цепями. Сокращение измерений от трех до нуля осуществляется путем разделения сердечно-сосудистой системы на различные отделы. , каждый из них представляет определенный компонент системы, например правое предсердие или системные артерии. Каждый отсек состоит из простых схемных компонентов, таких как сопротивления или конденсаторы , при этом поток крови ведет себя как ток, текущий через цепь в соответствии с законами Кирхгофа , под действием кровяного давления (падения напряжения). [2]
Модель с сосредоточенными параметрами представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений , описывающую эволюцию во времени объемов камер сердца. , а также кровяное давление и потоки через кровеносные сосуды . [3]
Описание модели
[ редактировать ]Модель с сосредоточенными параметрами представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которые придерживаются принципов сохранения массы и импульса . Модель получена с использованием электрической аналогии, где ток представляет собой поток крови, напряжение представляет собой разность давлений, электрическое сопротивление играет роль сосудистого сопротивления (определяется сечением и длиной кровеносного сосуда), емкость играет роль роль сосудистой податливости (способность сосуда расширяться и увеличивать объем при увеличении трансмурального давления , то есть разницы давлений между двумя сторонами стенки сосуда) и индуктивности представляет собой инерцию крови . Каждая камера сердца моделируется с помощью эластансов , которые описывают сократимость сердечной мышцы и разгруженный объем, то есть объем крови, содержащейся в камере при нулевом давлении. Лампы виде выполнены в диодов . Параметрами модели являются сопротивления, емкости, индуктивности и упругости. Неизвестными для системы являются объемы крови внутри каждой камеры сердца, кровяное давление и потоки крови внутри каждого отдела кровообращения. Система обыкновенных дифференциальных уравнений решается с помощью численного метода временной дискретизации , например метода Рунге-Кутты . [3]
Сердечно-сосудистая система разделена на несколько отделов:
- четыре камеры сердца: левое и правое предсердия, левый и правый желудочки;
- большой круг кровообращения, который можно разделить на артерии, вены и, при необходимости, на другие отделы с учетом различных кровеносных сосудов;
- малый круг кровообращения, который можно разделить на артерии, вены и, при необходимости, на другие отделы, учитывающие различные кровеносные сосуды.
Ниже левого предсердия и желудочка и правого предсердия и желудочка расположены четыре сердечных клапана: митральный , аортальный , трикуспидальный и легочный клапаны соответственно. [3]
Разделение малого и большого круга кровообращения не фиксировано, например, если интерес исследования представляют системные капилляры, в модель с сосредоточенными параметрами можно добавить отсек, учитывающий системные капилляры. Каждый отсек описывается схемой Виндкесселя с количеством элементов, зависящим от конкретного отсека. Обыкновенные дифференциальные уравнения модели получены на основе схем Виндкесселя и законов Кирхгофа. [4]
В дальнейшем основное внимание будет уделено конкретной модели с сосредоточенными параметрами. Рассматриваются четыре камеры сердца, системные и легочные артерии и вены. [5]
Уравнения камер сердца
[ редактировать ]Параметры, относящиеся к четырем камерам сердца, — это пассивная и активная эластичность. и (где индексы различаются в зависимости от и если эластичность относится к правому предсердию или желудочку или левому предсердию или желудочку соответственно) и ненагруженным объемам . Динамика камер сердца описывается зависящей от времени эластичностью: [5]
где представляет собой периодическую (с периодом сердцебиения) зависящую от времени функцию в пределах от к это объясняет фазы активации сердца во время сердцебиения. Из приведенного выше уравнения пассивная эластичность представляет собой минимальную эластичность камеры сердца, тогда как сумма и его максимальная эластичность. Зависящая от времени эластичность позволяет рассчитать давление внутри конкретной камеры сердца следующим образом: [5]
где - объем крови, содержащейся в камере сердца, а объемы каждой камеры являются решениями следующих обыкновенных дифференциальных уравнений, которые учитывают входящие и внешние потоки крови, связанные с камерой сердца: [5]
где и – потоки через митральный, аортальный, трикуспидальный и легочный клапаны соответственно и и – потоки через легочные и системные вены соответственно. [5]
Уравнения клапанов
[ редактировать ]Клапаны моделируются как диоды, и потоки крови через клапаны зависят от скачков давления между входным и выходным отсеками: [5]
где давление внутри каждой камеры сердца определено в предыдущем разделе, и - зависящее от времени давление внутри системного и легочного артерий и – поток через клапан в зависимости от скачка давления: [5]
где и – сопротивления клапанов, когда они открыты и закрыты соответственно. [5]
Уравнения циркуляционных отсеков
[ редактировать ]Каждый отсек кровеносных сосудов характеризуется сочетанием сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Например, артериальный большой круг кровообращения можно описать тремя параметрами: и которые представляют артериальное системное сопротивление, емкость и индуктивность. Обыкновенные дифференциальные уравнения, описывающие системное артериальное кровообращение: [5]
где — кровоток через системный артериальный отдел и давление внутри венозного отсека. [5]
Аналогичные уравнения с аналогичными обозначениями справедливы и для остальных отделов, описывающих кровообращение. [5]
Система обыкновенных дифференциальных уравнений
[ редактировать ]Собирая описанные выше уравнения, получаем следующую систему: оно держится [5]
с последний раз. Первые два уравнения связаны с объемами левого предсердия и желудочков соответственно. Уравнения с третьего по шестое связаны с давлением и потоками системной артериальной и венозной систем. Аналогичным образом последние уравнения связаны с правыми отделами сердца и малым кругом кровообращения. Система дополняется начальными условиями для каждого из неизвестных. [5]
С математической точки зрения корректность задачи является следствием теоремы Коши–Липшица , поэтому ее решение существует и оно единственно. Решение системы аппроксимируется численным методом . Численное моделирование должно быть рассчитано более чем на сердцебиение (последний раз зависит от числа сердечных сокращений и частоты сердечных сокращений ) для приближения к предельному циклу динамической системы , так что решение ведет себя аналогично периодической функции, имитирующей периодичность сердечного цикла . [5]
Дальнейшие разработки
[ редактировать ]Описанная выше модель представляет собой конкретную модель с сосредоточенными параметрами. Его можно легко модифицировать, добавляя или удаляя отсеки или компоненты схемы внутри любого отсека по мере необходимости. Уравнения, которые управляют новыми или модифицированными отсеками, по-прежнему являются законами Кирхгофа. [4]
Модели с сосредоточенными параметрами сердечно-сосудистой системы можно усовершенствовать, добавив модель с сосредоточенными параметрами для дыхательной системы. Что касается сердечно-сосудистой системы, то дыхательная система разделена на различные отсеки, моделирующие, например, гортань , глотку или трахею . [6] Более того, кардиопульмональную модель можно комбинировать с моделью оксигенации крови для изучения, например, уровней насыщения крови. [7] [8]
Существует несколько моделей с сосредоточенными параметрами, и выбор модели зависит от цели работы или исследования. Сложные модели могут описывать разную динамику, но рост сложности влечет за собой увеличение вычислительных затрат на решение системы дифференциальных уравнений. [9] [10] [11]
Некоторые из 0-D отсеков модели с сосредоточенными параметрами можно заменить на -мерные компоненты ( ) для геометрического описания конкретного компонента сердечно-сосудистой системы (например, 0-D отсек левого желудочка можно заменить его трехмерным представлением). Как следствие, система уравнений будет включать также уравнения в частных производных для описания размерных компонентов, и это повлечет за собой большие вычислительные затраты для численного решения. [12] [13]
См. также
[ редактировать ]- Кровеносный сосуд
- Дискретизация
- Метод конечных элементов
- Сердце
- Модель с сосредоточенными элементами
- Уменьшение порядка модели
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Шим, Ын Бо; Сах, Чон Юб; Юн, Чан Хён (2004). «Математическое моделирование динамики сердечно-сосудистой системы с использованием метода сосредоточенных параметров» . Японский журнал физиологии . 54 (6): 545–553. дои : 10.2170/jjphysicalol.54.545 . ISSN 0021-521X . ПМИД 15760487 .
- ^ Jump up to: а б Ши, Юбинг; Лоуфорд, Патрисия; Хоуз, Родни (2011). «Обзор нулевой и одномерной моделей кровотока в сердечно-сосудистой системе» . Биомедицинская инженерия онлайн . 10 (1): 33. дои : 10.1186/1475-925X-10-33 . ISSN 1475-925Х . ПМК 3103466 . ПМИД 21521508 .
- ^ Jump up to: а б с Шим, Ын Бо; Сах, Чон Юб; Юн, Чан Хён (2004). «Математическое моделирование динамики сердечно-сосудистой системы с использованием метода сосредоточенных параметров» . Японский журнал физиологии . 54 (6): 545–553. дои : 10.2170/jjphysicalol.54.545 . ISSN 0021-521X . ПМИД 15760487 .
- ^ Jump up to: а б Ши, Юбинг; Лоуфорд, Патрисия; Хоуз, Родни (2011). «Обзор нулевой и одномерной моделей кровотока в сердечно-сосудистой системе» . Биомедицинская инженерия онлайн . 10 (1): 33. дои : 10.1186/1475-925X-10-33 . ISSN 1475-925Х . ПМК 3103466 . ПМИД 21521508 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Деде, Лука; Регаццони, Франческо; Вергара, Кристиан; Зунино, Паоло; Уильям, Марк; Скрофани, Роберто; Фузини, Лаура; Коглиати, Кьяра; Понтоне, Джанлука; Квартерони, Альфио (2021). «Моделирование реакции сердца на гемодинамические изменения, связанные с COVID-19: вычислительное исследование» . Математические биологические науки и инженерия . 18 (4): 3364–3383. дои : 10.3934/mbe.2021168 . hdl : 2434/843779 . ISSN 1551-0018 . ПМИД 34198390 . S2CID 234973850 .
- ^ Нго, Чуонг; Дальманс, Стефан; Воллмер, Томас; Мисгельд, Берно; Леонхардт, Штеффен (01 июня 2018 г.). «Объектно-ориентированная вычислительная модель для изучения сердечно-легочных гемодинамических взаимодействий у человека» . Компьютерные методы и программы в биомедицине . 159 : 167–183. дои : 10.1016/j.cmpb.2018.03.008 . ISSN 0169-2607 . ПМИД 29650311 . S2CID 4802953 .
- ^ Альбанезе, Антонио; Ченг, Лимей; Урсино, Мауро; Чбат, Николас В. (01 апреля 2016 г.). «Интегрированная математическая модель сердечно-легочной системы человека: разработка модели» . Американский журнал физиологии. Физиология сердца и кровообращения . 310 (7): H899–H921. дои : 10.1152/ajpheart.00230.2014 . ISSN 0363-6135 . ПМИД 26683899 .
- ^ Лу, К.; Кларк, Дж.В.; Горбель, Ф.Х.; Уэр, ДЛ; Бидани, А. (1 декабря 2001 г.). «Модель сердечно-легочной системы человека, примененная к анализу маневра Вальсальвы» . Американский журнал физиологии. Физиология сердца и кровообращения . 281 (6): H2661–H2679. дои : 10.1152/ajpheart.2001.281.6.H2661 . ISSN 0363-6135 . ПМИД 11709436 . S2CID 8246967 .
- ^ Де Лаззари, К.; Даровский, М.; Феррари, Г.; Пизанелли, DM; Тости, Г. (2006). «Моделирование при исследовании взаимодействия аппарата гемонасоса и искусственной вентиляции легких» . Компьютеры в биологии и медицине . 36 (11): 1235–1251. doi : 10.1016/j.compbiomed.2005.08.001 . ПМИД 16202402 .
- ^ Ши, Юбинг; Коракианитис, Феодосий (2006). «Численное моделирование сердечно-сосудистой динамики при левожелудочковой недостаточности и последовательном вспомогательном устройстве для пульсации желудочков» . Искусственные органы . 30 (12): 929–948. дои : 10.1111/j.1525-1594.2006.00326.x . ISSN 0160-564X . ПМИД 17181834 .
- ^ Хельдт, Томас; Шим, Ын Б.; Камм, Роджер Д.; Марк, Роджер Г. (1 марта 2002 г.). «Вычислительное моделирование сердечно-сосудистой реакции на ортостатический стресс» . Журнал прикладной физиологии . 92 (3): 1239–1254. doi : 10.1152/japplphysicalol.00241.2001 . ISSN 8750-7587 . ПМИД 11842064 .
- ^ Бланко, Пабло Дж.; Фейхоо, Рауль А. (2010). «Вычислительная модель 3D-1D-0D для всей сердечно-сосудистой системы» . Вычислительная механика . 29 (59): 5887–5911.
- ^ Байаржон, Брайан; Ребело, Нуно; Фокс, Дэвид Д.; Тейлор, Роберт Л.; Куль, Эллен (2014). «Проект «Живое сердце»: надежный и интегрированный симулятор работы сердца человека» . Европейский журнал механики – A/Solids . 48 : 38–47. Бибкод : 2014EuJMA..48...38B . doi : 10.1016/j.eurotechsol.2014.04.001 . ПМЦ 4175454 . PMID 25267880 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Базилевс, Юрий; Такидзава, Кендзи; Тездуяр, Тайфун Э. (2013). Вычисление взаимодействия жидкости и конструкции: методы и приложения . Ряды Вили по вычислительной механике. Чичестер: Уайли. ISBN 978-0-470-97877-1 .
- Квартерони, Альфио ; Деде, Лука; Манцони, Андреа; Вергара, Кристиан (2019). Математическое моделирование сердечно-сосудистой системы человека: данные, численная аппроксимация, клиническое применение . Кембриджские монографии по прикладной и вычислительной математике. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-108-61609-6 .
- Хиршфогель, Марк; Бассилиус, Марина; Джагшис, Лассе; Уайлдхирт, Стивен М.; Ну и дела, Майкл В. (2017). «Монолитная 3D-0D-связанная модель сердца и сосудистой системы с замкнутым контуром: экспериментальная оценка параметров сердечной механики для конкретного пациента: 3D-0D-связанная модель сердца с замкнутым контуром» . Международный журнал численных методов в биомедицинской инженерии . 33 (8): e2842. дои : 10.1002/cnm.2842 . ПМИД 27743468 . S2CID 36252500 .