一種用於求解耦合心臟機電和血管血流動力學的多組分、多物理場計算模型

Основні поняття

本文提出了一種創新的多組分、多物理場計算模型，用於模擬人類心血管系統，通過耦合心臟的 3D 機電模型和血管的 3D 流體力學模型，更全面地描述心血管功能。

Анотація

Lo, S. C. Y., Zingaro, A., McCullough, J. W. S., Xue, X., Vázquez, M., & Coveney, P. V. (2024). A Multi-Component, Multi-Physics Computational Model for Solving Coupled Cardiac Electromechanics and Vascular Haemodynamics. arXiv preprint arXiv:2411.11797.

本研究旨在開發一種多組分、多物理場計算模型，用於模擬人類心血管系統中耦合的心臟機電和血管血流動力學。

Ключові висновки, отримані з

A Multi-Component, Multi-Physics Computational Model for Solving Coupled Cardiac Electromechanics and Vascular Haemodynamics

by Shar... о arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11797.pdf

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該模型如何用於研究特定心血管疾病（如心臟衰竭或動脈粥樣硬化）的進展？

這個多組分、多物理場計算模型，通過耦合心臟電機械和血管血液動力學，為研究特定心血管疾病的進展提供了一個強大的工具。以下是一些具體的例子：
心臟衰竭：

改變心肌特性： 可以通過調整模型參數，模擬心臟衰竭時心肌的變化，例如心肌細胞收縮力下降、心室壁變薄或僵硬等。
模擬心室重塑： 模型可以模擬心臟衰竭過程中心室的結構性變化，例如心室擴張或心室壁增厚，以及這些變化對心臟功能的影響。
評估治療效果： 可以利用模型評估藥物或器械治療對心臟衰竭的影響，例如評估藥物對心肌收縮力的改善或器械對心臟泵血功能的輔助作用。
動脈粥樣硬化：

模擬斑塊形成： 可以通過在血管壁上引入斑塊模型，模擬動脈粥樣硬化的發生和發展過程，研究斑塊的生長、破裂和血栓形成等。
分析血流動力學影響： 模型可以分析血流動力學因素對斑塊形成和發展的影響，例如剪切應力、血流速度和血壓等。
評估治療策略： 可以利用模型評估藥物或手術治療對動脈粥樣硬化的影響，例如評估藥物對斑塊的穩定作用或手術對血管狹窄的改善效果。
總之，通過調整模型參數、引入疾病模型和分析模擬結果，這個耦合模型可以幫助研究人員深入了解心血管疾病的發病機制、進展過程和治療方法。

耦合模型中使用的簡化假設（例如，牛頓流體和剛性血管壁）如何影響模擬結果的準確性？

雖然這個耦合模型提供了一個強大的工具來研究心血管系統，但其中使用的一些簡化假設可能會影響模擬結果的準確性。以下是一些例子：
牛頓流體：

影響： 血液在低剪切率或微血管中表現出非牛頓流體特性，例如剪切變薄效應。假設血液為牛頓流體可能會導致在這些情況下對血液粘度估計不準確，進而影響血流速度和剪切應力的計算。
改進： 可以考慮使用非牛頓流體模型來更準確地模擬血液流動，例如 Carreau-Yasuda 模型或 Casson 模型。
剛性血管壁：

影響： 血管壁在生理條件下具有一定的彈性，可以隨著血壓和血流的變化而擴張和收縮。假設血管壁為剛性會忽略血管壁的順應性和脈搏波傳播效應，導致對血壓和血流波形的估計不準確。
改進： 可以考慮使用流固耦合（FSI）方法來模擬血管壁的彈性和血流的相互作用，例如將血管壁模型耦合到流體模型中。
其他簡化：

忽略血細胞： 模型沒有考慮血細胞的存在，可能會影響對血液粘度和血流特性的估計。
簡化的血管幾何形狀： 模型使用了簡化的血管幾何形狀，可能無法完全反映真實血管的複雜性。
總之， 這些簡化假設在一定程度上限制了模型的準確性和適用範圍。為了提高模型的精度，可以考慮放鬆這些簡化假設，使用更精確的物理模型和更詳細的解剖結構。

除了心血管系統，這種多組分、多物理場建模方法如何應用於其他生理系統？

這種多組分、多物理場建模方法，通過耦合不同物理過程和解剖結構，為研究複雜生理系統提供了一個通用的框架。除了心血管系統，它還可以應用於以下生理系統：
呼吸系統：

氣道流動和肺部組織力學： 可以耦合計算流體動力學（CFD）模型和有限元分析（FEA）模型，模擬氣道中的氣流模式和肺部組織的形變，研究呼吸過程中的氣體交換和肺部力學。
肺部疾病模擬： 可以通過調整模型參數和引入疾病模型，模擬哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）等肺部疾病對呼吸功能的影響。
消化系統：

食物流動和消化道蠕動： 可以耦合流體模型和固體力學模型，模擬食物在消化道中的流動以及消化道的蠕動，研究食物的消化和吸收過程。
胃腸道疾病研究： 可以通過引入疾病模型，模擬胃食管反流病（GERD）、炎症性腸病（IBD）等胃腸道疾病對消化功能的影響。
肌肉骨骼系統：

肌肉收縮和骨骼運動： 可以耦合肌肉激活模型、肌肉力學模型和骨骼運動學模型，模擬肌肉收縮產生的力和骨骼的運動，研究運動控制和運動障礙。
骨骼力學和骨折癒合： 可以使用有限元分析模型，模擬骨骼在不同載荷條件下的應力和應變，研究骨折癒合過程和骨骼植入物的力學性能。
其他應用：

腫瘤生長和治療： 可以耦合腫瘤生長模型、血管生成模型和藥物傳輸模型，模擬腫瘤的生長、血管生成和藥物治療效果。
藥物輸送和釋放： 可以耦合藥物傳輸模型和藥物釋放模型，模擬藥物在體內的吸收、分佈、代謝和排泄過程，優化藥物輸送系統的設計。
總之，這種多組分、多物理場建模方法可以應用於各種生理系統，幫助研究人員深入了解生理過程、疾病機制和治療方法。