Object‐Oriented Lumped‐Parameter Modeling of the Cardiovascular System for Physiological and Pathophysiological Conditions,Advanced Theory and Simulations

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Object‐Oriented Lumped‐Parameter Modeling of the Cardiovascular System for Physiological and Pathophysiological Conditions
Advanced Theory and Simulations ( IF 2.9 ) Pub Date : 2021-02-11 , DOI: 10.1002/adts.202000216
Luca Rosalia _{1,

2} , Caglar Ozturk ₁ , David Van Story ₁ , Markus A. Horvath _{1,

2} , Ellen T. Roche _{1,

2,

3}

Affiliation

In this work, a lumped‐parameter Windkessel model of the cardiovascular system that simulates biomechanical parameters of the human physiology is presented. The object‐oriented platform provided by the MATLAB‐based modeling environment SIMSCAPE is employed to compute blood pressures and flows in each heart chamber and at various sites of the vascular tree. The hydraulic domain allows the determination of cardiovascular hemodynamics intuitively from geometrical and mechanical properties of the system, while custom elements model the pumping action of the heart and the effects of respiration on blood flow. The model is validated by comparing predicted hemodynamics with normal physiology during both systole and diastole, demonstrating that changes in arterial pressures with breathing are consistent with reported physiological effects of cardiorespiratory coupling. The capabilities of this platform are explored through two exemplary case studies: i) pressure‐overload heart failure due to aortic constriction, validated in vitro and via finite element analysis, and ii) single‐ventricle Fontan physiology, validated in vitro and compared with the clinical literature. This platform provides a practical tool for the calculation of cardiovascular hemodynamics from hydraulic parameters, enabling the intuitive creation of in silico representations of complex circulatory loops, the planning and optimization of medical interventions, and the prediction of clinically relevant patient‐specific hemodynamics.

中文翻译：

面向生理和病理生理状况的心血管系统的面向对象的集总参数建模

在这项工作中，提出了心血管系统的集总参数Windkessel模型，该模型可模拟人类生理学的生物力学参数。基于MATLAB的建模环境SIMSCAPE提供的面向对象的平台用于计算每个心腔和血管树各个部位的血压和流量。液压域可以根据系统的几何和机械特性直观地确定心血管血液动力学，而自定义元素可以模拟心脏的泵送作用以及呼吸对血流的影响。通过比较预期的心脏收缩期和舒张期血流动力学与正常生理之间的关系来验证该模型，表明呼吸中动脉压的变化与报告的心肺耦合生理效应一致。通过两个示例性案例研究来探索该平台的功能：i）主动脉缩窄导致的压力超负荷心力衰竭，在体外和通过有限元分析进行了验证； ii）单心室Fontan生理学，在体外进行了验证，并与临床文献。该平台为从液压参数计算心血管血流动力学提供了一种实用的工具，可以直观地创建复杂循环回路的计算机模拟表示，医疗干预措施的规划和优化以及临床相关患者特定的血流动力学的预测。通过两个示例性案例研究来探索该平台的功能：i）主动脉缩窄导致的压力超负荷心力衰竭，在体外和通过有限元分析进行了验证； ii）单心室Fontan生理学，在体外进行了验证，并与临床文献。该平台为从液压参数计算心血管血流动力学提供了一种实用工具，可以直观地创建复杂循环回路的计算机模拟表示，医疗干预措施的规划和优化以及临床相关患者特定的血流动力学的预测。通过两个示例性案例研究来探索该平台的功能：i）主动脉缩窄导致的压力超负荷心力衰竭，在体外和通过有限元分析进行了验证； ii）单心室Fontan生理学，在体外进行了验证，并与临床文献。该平台为从液压参数计算心血管血流动力学提供了一种实用的工具，可以直观地创建复杂循环回路的计算机模拟表示，医疗干预措施的规划和优化以及临床相关患者特定的血流动力学的预测。在体外验证并与临床文献进行比较。该平台为从液压参数计算心血管血流动力学提供了一种实用的工具，可以直观地创建复杂循环回路的计算机模拟表示，医疗干预措施的规划和优化以及临床相关患者特定的血流动力学的预测。在体外验证并与临床文献进行比较。该平台为从液压参数计算心血管血流动力学提供了一种实用的工具，可以直观地创建复杂循环回路的计算机模拟表示，医疗干预措施的规划和优化以及临床相关患者特定的血流动力学的预测。

更新日期：2021-03-09

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