×

心脏电力学双畴模型的全隐式有限元方法。 (英语) Zbl 1297.74077号

摘要:我们提出了一种新的、整体的、无条件稳定的有限元算法,用于基于双畴的心脏电力学方法。我们引入跨膜电位、细胞外电位和位移场作为自变量,并将电生理学中常用的双场双畴公式扩展为电力学中的三场公式。内在耦合既源于兴奋诱导的心肌细胞收缩,也源于变形诱导的细胞内电流生成。通过传统的等参Galerkin方法,将电学问题的耦合反应扩散方程和力学问题的动量平衡方程重铸为弱形式。作为一个新的方面,我们提出了一种整体方法来解决完全耦合、隐式意义上的激励-收缩耦合的控制方程。我们证明了所得非线性残差方程组的一致线性化。为了评估算法性能,我们通过典型的三维初边值问题来说明特征特征。该算法通过避免传统交错求解方案固有的稳定性和收敛性问题,为针对患者的治疗设计开辟了新途径。

MSC公司:

74升15 生物力学固体力学
92C99型 生理、细胞和医学主题
65平方米 涉及偏微分方程初值和初边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
78M10个 有限元、伽辽金及相关方法在光学和电磁理论问题中的应用
74S05号 有限元方法在固体力学问题中的应用
92-08 生物问题的计算方法

软件:

有限元分析
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部 链接

参考文献:

[1] O.J.阿比利兹。;Wong,J。;普拉卡什,R。;Deisseroth,K。;Zarins,C.K。;Kuhl,E.,心脏功能光遗传控制的多尺度计算模型,生物物理学。J.,1011326-1334(2011)
[2] Aliev,R.R。;潘菲洛夫,A.V.,心脏兴奋的简单双变量模型,混沌孤子。分形。,7, 293-301 (1996)
[3] 巴查洛娃,L。;Mateasik,A。;克劳斯,R。;Prinzen,F.W。;Auricchio,A。;Potse,M.,《细胞内耦合减少对左心室肥厚心电图征象的影响》,《心电杂志》。,44, 571-576 (2011)
[4] 博格·T·K。;Caulfield,J.B.,《心脏胶原蛋白基质》,《联合公报》。,40, 2037-2041 (1981)
[5] 博特·W·。;科尔,E。;Kvitting,J.P。;Rausch,M.K。;哥克特佩,S。;斯旺森,J.C。;南卡罗来纳州法拉曼尼亚。;Ingels,N.B。;Miller,D.C.,刚性、完整的环形成形术增加了正常跳动绵羊心脏二尖瓣前叶的张力,《循环》,124,S81-S96(2011)
[6] 布雷拉,M。;杰罗姆,J.W。;Mori,Y。;Sacco,R.,非均匀区域输运问题的保守和单调混合有限元近似,计算。方法应用。机械。工程,1992709-2720(2010)·Zbl 1231.76138号
[7] 陈敏秋。;Wong,J。;科尔,E。;Giovangrandi,L.B。;Kovacs,G.T.A.,利用共现分析表征心肌细胞共培养中的电生理传导,计算机。方法生物计量。生物识别。工程(2012)
[8] Costa,K.D。;福尔摩斯,J.W。;McCulloch,A.D.,《三维心脏力学特性建模》,Phil.Trans。罗伊。Soc.伦敦。A、 3591233-1250(2001)·Zbl 0994.92013号
[9] Dal,H。;哥克特佩,S。;Kaliske,M。;Kuhl,E.,心脏电生理双畴模型的全隐式有限元方法,计算。方法生物计量。生物识别。工程,15645-656(2012)
[10] Dal,H。;哥克特佩,S。;Kaliske,M。;Kuhl,E.,基于三场双域的心脏强耦合机电方法,PAMM,11931-934(2011)
[11] Ennis,D.B。;Nguyen,T.C。;Riboh,J.C。;维格斯特罗姆,L。;哈灵顿,K.B。;女儿,G.T。;Ingels,N.B。;Miller,D.C.,绵羊左心室肌纤维角度分布不符合计算优化预测,J.Biomech。,41, 3219-3224 (2008)
[12] Fitzhugh,R.,神经诱导理论模型中的冲动和生理状态,生物物理学。J.,1455-466(1961)
[13] Flory,P.J.,高弹性材料的热力学关系,Trans。法拉第社,57,829-838(1961)
[14] Franzone,P.C.公司。;Pavarino,L.F.,计算电生理中反应扩散系统的并行求解器,数学。模型方法应用。科学。,14, 883-911 (2004) ·Zbl 1068.92024号
[15] 杰拉尔多·乔尔达,L。;米拉贝拉,L。;Nobile,F。;佩雷戈,M。;Veneziani,A.,心电双畴系统基于模型的块三角预处理剂,J.Compute。物理。,228, 3625-3639 (2009) ·Zbl 1187.92053号
[16] 哥克特佩,S。;阿查里亚,S.N.S。;Wong,J。;Kuhl,E.,被动心肌的计算建模,国际数字杂志。方法生物识别。工程,27,1-12(2011)·Zbl 1207.92006年9月
[17] 哥克特佩,S。;Kuhl,E.,《心脏电生理的计算建模:一种新的有限元方法》,国际期刊《数值》。方法工程,79,156-178(2009)·Zbl 1171.92310号
[18] 哥克特佩,S。;Kuhl,E.,《心脏机电:强耦合激励压缩问题的统一方法》,计算。机械。,45, 227-243 (2010) ·Zbl 1183.78031号
[19] 哥克特佩,S。;Wong,J。;Kuhl,E.,心房和心室颤动-心脏组织中螺旋波的计算模拟,Arch。申请。机械。,80, 569-580 (2010) ·Zbl 1271.74319号
[20] 古奇奥内,J.M。;McCulloch,A.D.,《心肌主动收缩力学:第一部分——描述失活的纤维应力本构关系》,J.Biomech。工程,115,72-81(1993)
[21] 霍奇金,A.L。;赫胥黎,A.F.,《膜电流的定量描述及其在神经传导和兴奋中的应用》,《生理学杂志》。,117, 500-544 (1952)
[22] 霍尔扎费尔,G.A。;Ogden,R.W.,被动心肌的本构模型:材料表征的基于结构的框架,Phil.Trans。序列号。数学。物理学。工程科学。,367, 3445-3475 (2009) ·Zbl 1185.74060号
[23] 亨特·P·J。;Lie,W.W。;McCulloch,A.D。;Noble,D.,多尺度建模:物理项目标准、工具和数据库,IEEE计算。,39, 48-54 (2006)
[24] 亨特·P·J。;普兰,A.J。;Smaill,B.H.,《总心脏功能建模》,年。生物识别版本。工程,5,147-177(2003)
[25] 伊藤,A。;克里希纳穆提(Krishnamurthy),G。;斯旺森,J。;埃尼斯,D。;博特·W·。;科尔,E。;卡尔森,M。;Davis,L。;密勒特区。;Ingels,N.B.,心脏跳动时二尖瓣叶的活动性僵硬,Amer。《生理学杂志》。心脏循环。生理学。,296, 1766-1773 (2009)
[26] 基纳,J.P。;Bogar,K.,《求解心脏组织中bidomain方程的数值方法》,《混沌交叉学科》。非线性科学杂志。,8, 234-241 (1998) ·兹比尔1069.92507
[27] 克尔霍夫斯,R。;希利,S。;Usyk,T。;McCulloch,A.,《心脏机电计算方法》,Proc。IEEE,94769-783(2006)
[28] 科尔,P。;亨特,P。;Noble,D.,《拉伸引起的心率和心律变化临床观察实验和数学模型》,《生物物理进展》。分子生物学。,71, 91-138 (1999)
[29] Kotikanyadanam,M。;哥克特佩,S。;Kuhl,E.,心电图的计算建模——心脏兴奋的有限元方法,国际期刊数字。方法生物识别。工程,26,524-533(2010)·Zbl 1187.92062号
[30] 克里希那穆尔蒂,G。;Ennis,D.B。;伊藤,A。;博特·W·。;斯旺森-比希尔,J.C。;卡尔森,M。;科尔,E。;密勒特区。;Ingels,N.B.,绵羊二尖瓣前叶体内材料特性的逆向有限元分析,Amer。《生理学杂志》。心脏循环。生理学。,295,H1141-H1149(2008)
[31] Marsden,J.E。;Hughes,T.J.R.,《弹性的数学基础》(1983),普伦蒂斯·霍尔:普伦蒂斯霍尔·恩格尔伍德悬崖,新泽西州·Zbl 0545.73031号
[32] Miehe,C.,《大应变各向同性弹性的公式和有限元实现方面》,国际J·数值。方法工程,371981-2004(1994)·Zbl 0804.73067号
[33] Miller,W.T。;Geselowitz,D.B.,心电图的模拟研究:正常心脏,循环。决议,43,301-315(1978)
[34] 米拉贝拉,L。;Nobile,F。;Veneziani,A.,心电图学中模型适应性的后验误差估计器,计算。方法应用。机械。工程,200,2727-2737(2011)·Zbl 1230.92026
[35] Munteanu,M。;Pavarino,L.F。;Scacchi,S.,双畴反应扩散系统的可扩展Newton-Krylov-Schwarz方法,SIAM J.Sci。计算。,31, 3861-3883 (2009) ·Zbl 1205.65261号
[36] Nagumo,J。;Arimoto,S。;Yoshizawa,S.,模拟神经轴突的主动脉冲传输线,Proc。无线电工程研究所,502061-2070(1962)
[37] 纳什,M.P。;Hunter,P.J.,《从组织结构到心室功能的心脏计算力学》,J.Elasticity,61113-141(2000)·Zbl 1071.74659号
[38] 纳什,M.P。;潘菲洛夫,A.V.,研究折返性心律失常的可兴奋组织的机电模型,《生物进展》。分子生物学。,85, 501-522 (2004)
[39] Nickerson,D。;纳什,M。;尼尔森,P。;N.史密斯。;Hunter,P.,IUPS物理项目中的计算多尺度建模:心脏电力学建模,系统。生物学,50617-630(2006)
[40] Pennacchio,M。;Simoncini,V.,心脏兴奋过程反应扩散系统的有效代数解,J.Compute。申请。数学。,145, 49-70 (2002) ·Zbl 1006.65102号
[41] Pennacchio,M。;Simoncini,V.,双域反应扩散系统的代数多重网格预条件,应用。数字。数学。,59, 3033-3050 (2009) ·Zbl 1171.92017年
[42] 普朗克,G。;伯顿,R.A.B。;Hales,P。;Bishop,M。;Mansoori,T。;M.O.伯纳乌。;Garny,A。;Prassl,A.J。;Bollensdorff,C。;梅森,F。;马哈茂德,F。;罗德里格斯,B。;格劳,V。;施耐德,J.E。;Gavaghan,G。;科尔,P.,《个体心脏组织解剖学代表模型的生成:工具和应用》,菲尔译。罗伊。Soc.伦敦。A、 1974051-4061(2008)
[43] 普朗克,G。;利伯曼,M。;多斯桑托斯,R.W。;维格蒙德,E.J。;Haase,G.,IEEE传输。生物识别。工程,54,585-596(2007)
[44] 波茨,M。;Dubé,B。;Richer,J。;Vinet,A。;Gulrajani,R.M.,《人类心脏动作电位传播的单域和双域反应扩散模型比较》,IEEE Trans。生物识别。工程,53,2425-2435(2006)
[45] Prassl,A。;Kickinger,F。;Ahammer,H。;格劳,V。;施耐德,J。;霍弗,E。;维格蒙德,E。;特拉扬诺娃,N。;普朗克,G.,《自动生成用于心脏电生理问题的解剖精确网格》,《生物医学》。工程IEEE Trans。,56, 1318-1330 (2009)
[46] Rohmer,D。;Sitek,A。;Gullberg,G.T.,根据离体扩散张量磁共振成像(DTMRI)数据重建和可视化正常人心脏中的纤维和层流结构,投资。无线电。,42, 777-789 (2007)
[47] 圣玛丽,J。;沙佩尔,D。;Cimrman,R。;Sorine,M.,心脏机电活动的建模和估计,计算机。结构。,84, 1743-1759 (2006)
[48] 多斯桑托斯,R。;普朗克,G。;Bauer,S。;Vigmond,E.,心脏双畴模型的并行多重网格预处理,生物医学。工程IEEE Trans。,51, 1960-1968 (2004)
[49] Scacchi,S.,bidomain模型的混合多级schwarz方法,计算。方法应用。机械。工程,197,4051-4061(2008)·Zbl 1194.78048号
[50] Scacchi,S.,心电图生物域模型的多级混合牛顿-克利洛夫-施瓦茨方法,计算。方法应用。机械。工程,200,717-725(2011)·Zbl 1225.92011年
[51] Scacchi,S。;Franzone,P.C.公司。;Pavarino,L。;Taccardi,B.,《心脏复极时间标记物的可靠性分析》,数学。生物科学。,219, 113-128 (2009) ·Zbl 1168.92014号
[52] Sermesant,M。;Rhode,K。;桑切斯·奥尔蒂斯,G。;O.卡马拉。;Andriantsimiavona,R。;Hegde,S。;Rueckert,D。;兰比亚斯,P。;巴克纳尔,C。;罗森塔尔,E。;Delingette,H。;希尔,D。;阿亚奇,N。;Razavi,R.,使用机电双心室模型和XMR介入成像模拟心脏病变,医学图像分析。,9, 467-480 (2005)
[53] Simo,J.C.(西莫,J.C.)。;Taylor,R.L.,主拉伸连续体基中的拟不可压缩有限弹性和数值算法,计算。方法应用。机械。工程,85,273-310(1991)·Zbl 0764.73104号
[54] 斯科伊宾,K。;特拉扬诺娃,N。;Moore,P.,《心肌活性双畴片除颤模拟的高效数值模型》,数学。生物科学。,166, 85-100 (2000) ·Zbl 0963.92019号
[55] Spencer,A.J.M.,不变量理论,(Eringen,A.,《连续介质物理》,第1卷(1971),学术出版社:纽约学术出版社)
[56] Sundnes,J.公司。;线路,G.T。;Tveito,A.,求解耦合到躯干体积导体模型的双域方程的算子分裂方法,数学。生物科学。,194, 233-248 (2005) ·Zbl 1063.92018年
[58] Tsamis,A。;博特·W·。;Kvitting,J.P。;斯旺森,J.C。;密勒特区。;Kuhl,E.,《心肌的主动收缩:心脏跳动中机械激活序列的体内表征》,J.Mech。行为。生物识别。材料。,4, 1167-1176 (2011)
[60] Usyk,T.P。;LeGrice,I.J。;McCulloch,A.D.,三维心脏电力学计算模型,计算机。目视检查。科学。,4, 249-257 (2002) ·Zbl 1001.92005号
[61] 维格蒙德,E。;Aguel,F。;Trayanova,N.,求解三维双域方程的计算技术,生物医学。工程IEEE Trans。,49, 1260-1269 (2002)
[62] 维格蒙德,E。;多斯桑托斯,R.W。;Prassl,A。;Deo,M。;普朗克,G.,《心脏bidomain方程解算器》,《生物物理进展》。分子生物学。,96, 3-18 (2008)
[63] 维格蒙德,E.J。;休斯,M。;普朗克,G。;Leon,L.J.,心脏组织电活动建模的计算工具,J.心电。,36, 69-74 (2003)
[64] Wong,J。;哥克特佩,S。;Kuhl,E.,《电化学耦合的计算建模:心脏电生理离子模型的新型有限元方法》,计算。方法应用。机械。工程,200,3139-3158(2011)·Zbl 1230.92013年
[66] Zhang,Y。;Bazilevs,Y。;Goswami,S。;巴贾杰,C.L。;Hughes,T.J.R.,《血流等几何分析的患者特定血管nurbs建模》,计算机。方法应用。机械。工程,196,2943-2959(2007)·兹比尔1121.76076
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。