مدل‌سازی الکترومکانیکی قلب در حالت‌های نرمال و فشارخون ریوی بالا

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

10.22044/jsfm.2025.14166.3835

چکیده

بیماری‌های قلبی-عروقی عامل اصلی مرگ و میر در سراسر جهان است. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری عملکرد قلب به تدریج به ابزاری قدرتمند برای درک بهتر رفتار قلب و حمایت از تصمیم‌گیری بالینی تبدیل می‌شوند. با این حال، مدل‌سازی‌ قلب راست هنوز در مراحل اولیه می‌باشد. فشار خون ریوی یک اختلال پاتوفیزیولوژیک است که ممکن است شرایط بالینی متعددی را شامل شود. این پژوهش یک مدل ریاضی و عددی چند مقیاسی کاملاً کوپل شده از الکترومکانیک قلب با هندسه دوبطنی ایده آل را برای افراد نرمال و دارای بیمار فشارخون ریوی بالا در نرم‌افزار کامسول ارائه می دهد. فیبر عضلانی که هدایت الکتریکی و انقباض میوکارد را کنترل می‌کند، از عوامل حیاتی برای شبیه سازی الکترومکانیکی قلب است که با استفاده از روش مبتنی بر قانون تعریف شد. از مدل گردش خون ویندکسل برای محاسبه فشارهای سیستمیک و ریوی استفاده شد. گردش خون با رویکردی سر راست برای بطن چپ و راست مدل‌سازی شد. در نهایت، تغییرات در رفتار عملکردی قلب بین افراد بدون فشار خون ریوی و افراد سالم مورد ارزیابی قرار گرفت. مشاهده شد که فشار بطن راست در فشار خون ریوی بالا افزایش می‌یابد و کسر تخلیه با کاهش مواجه می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] طاهری م، مدبری فر م، حسنی ا، کریمی پ، رحمانی ن (2023) استخراج تجربی مدول الاستیسیته‌ی بافت سرطانی معده با استفاده از مدل‌های مکانیک تماس توسعه‌یافته‌ی استوانه‌ای. مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 13(4): 83-94.
[2] World Health Organization (2021). Cardiovascular diseases (CVDs).
[3] Regazzoni F, Salvador M, Dedè L, Quarteroni A (2022) A machine learning method for real-time numerical simulations of cardiac electromechanics. Comput Methods Appl Mech Eng 393: 114825.
[4] Piersanti R, Regazzoni F, Salvador M, Corno AF, et al. (2022) 3D–0D closed-loop model for the simulation of cardiac biventricular electromechanics. Comput Methods Appl Mech Eng 391: 114607.
[5] Göktepe S, Abilez OJ, Parker KK, Kuhl E (2010) A multiscale model for eccentric and concentric cardiac growth through sarcomerogenesis. J Theor Biol 265(3): 433-442.
[6] Gerach T, Schuler S, Fröhlich J, Lindner L, et al. (2021) Electro-mechanical whole-heart digital twins: a fully coupled multi-physics approach. Mathematics 9(11): 1247.
[7] Regazzoni F, Salvador M, Africa PC, Fedele M, et al. (2022) A cardiac electromechanical model coupled with a lumped-parameter model for closed-loop blood circulation. J Comput Phys 457: 111083.
[8] Haddad F, Doyle R, Murphy DJ, Hunt SA (2008) Right ventricular function in cardiovascular disease, part II: pathophysiology, clinical importance, and management of right ventricular failure. Circulation 117(13): 1717-1731.
[9] Humbert M, Sitbon O, Yaïci A, Montani D, et al. (2010) Survival in incident and prevalent cohorts of patients with pulmonary arterial hypertension. Eur Respir J 36(3): 549-555.
[10] Heidari A, Elkhodary KI, Pop C, Badran M, et al. (2022) Patient-specific finite element analysis of heart failure and the impact of surgical intervention in pulmonary hypertension secondary to mitral valve disease. Med Biol Eng Comput 60(6): 1723-1744.
[11] Lankhaar J-W, Westerhof N, Faes TJ, Marques KM, et al. (2006) Quantification of right ventricular afterload in patients with and without pulmonary hypertension. Am J Physiol: Heart Circ Physiol 291(4): H1731-H1737.
[12] Segers P, Stergiopulos N, Westerhof N (2000) Quantification of the contribution of cardiac and arterial remodeling to hypertension. Hypertension 36(5): 760-765.
[13] Xi C, Latnie C, Zhao X, Tan JL, et al. (2016) Patient-specific computational analysis of ventricular mechanics in pulmonary arterial hypertension. J Biomech Eng 138(11): 111001.
[14] Kheyfets VO, Truong U, Ivy D, Shandas R (2019) Structural and biomechanical adaptations of right ventricular remodeling—in pulmonary arterial hypertension—reduces left ventricular rotation during contraction: A computational study. J Biomech Eng 141(5): 051002.
[15] Ahmad Bakir A (2018) A multiphysics fluid-electromechanical finite element model of cardiac ventricles for simulation of pathologies and treatments. UNSW Sydney.
[16] Nordsletten D, McCormick M, Kilner P, Hunter P, et al. (2011) Fluid–solid coupling for the investigation of diastolic and systolic human left ventricular function. Int J Numer Methods Biomed Eng 27(7): 1017-1039.
[17] Cansız B, Woodworth LA, Kaliske M (2021) A simple phenomenological approach for myocardial contraction: formulation, parameter sensitivity study and applications in organ level simulations. Mech Soft Mater 3(1): 1-28.
[18] نمه شیری پ، اللهوردی زاده ا، داداش زاده ب (2023) مدل‌سازی و شبیه‌سازی رشد در نارسایی قلبی دیاستولیک. علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک 35(3): 101-114.
[19] Eriksson TS, Prassl AJ, Plank G, Holzapfel GA (2013) Influence of myocardial fiber/sheet orientations on left ventricular mechanical contraction. Math Mech Solids 18(6): 592-606.
[20] Nash MP, Panfilov AV (2004) Electromechanical model of excitable tissue to study reentrant cardiac arrhythmias. Prog Biophys Mol Biol 85(2-3): 501-522.
[21] Göktepe S, Kuhl E (2010) Electromechanics of the heart: a unified approach to the strongly coupled excitation–contraction problem. Comput Mech 45(2): 227-243.
[22] Ahmad Bakir A, Al Abed A, Stevens MC, Lovell NH, et al. (2018) A multiphysics biventricular cardiac model: Simulations with a left-ventricular assist device. Front Physiol 9: 1259.
[23] Aliev RR, Panfilov AV (1996) A simple two-variable model of cardiac excitation. Chaos, Solitons Fractals 7(3): 293-301.
[24] Holzapfel GA, Ogden RW (2009) Constitutive modelling of passive myocardium: a structurally based framework for material characterization. Philos. Trans R Soc, A 367(1902): 3445-3475.
[25] Usyk TP, LeGrice IJ, McCulloch AD (2002) Computational model of three-dimensional cardiac electromechanics. Comput Visualization Sci 4: 249-257.
[26] Rausch M, Dam A, Göktepe S, Abilez O, et al. (2011) Computational modeling of growth: systemic and pulmonary hypertension in the heart. Biomech Model Mechanobiol 10(6): 799-811.
[27] Arumugam J, Mojumder J, Kassab G, Lee LC (2019) Model of anisotropic reverse cardiac growth in mechanical dyssynchrony. Sci Rep 9(1): 12670.
[28] Berberoğlu E, Solmaz HO, Göktepe S (2014) Computational modeling of coupled cardiac electromechanics incorporating cardiac dysfunctions. Eur J Mech A Solids 48: 60-73.
 
[29] نمه شیری پ، اللهوردی زاده ا، داداش زاده ب (2023) مدل‌سازی الکترومکانیکی تنگی دریچه آئورتی با خواص هایپرالاستیک و ویسکوالاستیک میوکاردیوم. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز 53(2): 155-164.
[30] Mulieri LA, Hasenfuss G, Leavitt B, Allen PD, et al. (1992) Altered myocardial force-frequency relation in human heart failure. Circulation 85(5): 1743-1750.
[31] Klabunde R (2011) Cardiovascular physiology concepts. 2nd edn. Lippincott Williams & Wilkins, Sydney.
[32] Mebazaa A, Karpati P, Renaud E, Algotsson L (2009) Acute right ventricular failure—from pathophysiology to new treatments. In: Hedenstierna G, Mancebo J, Brochard L, Pinsky M (eds) Applied physiology in intensive care medicine.