×

应用于人类心脏心肌灌注的计算模型:从大冠状动脉到微血管。 (英语) Zbl 07508444号

小结:在本文中,我们提出了一个人体心脏灌注的数学和数值模型,该模型考虑了冠脉树中不同长度尺度的血管。心外膜血管用全三维(3D)流体动力学表示,而壁内血管则被建模为多组分多孔介质。这些模型通过基于质量和动量连续性的界面条件进行耦合。相反,在第一个初步模型中忽略了心肌变形。为了估计多组分模型的物理参数,使用一种在非凸域工作的新算法生成虚拟壁内血管网络。利用三维模型和多孔介质方法对心外膜血管和壁内血管进行建模,可以将所提出的策略应用于根据临床成像数据重建的患者特定心脏几何结构。我们还讨论了耦合问题数值解的推导。特别是,我们针对整体问题提出了一种分裂算法,在简化的线性化情况下进行了相应的收敛性分析,并为多组分多孔子模型提供了合适的预条件。最后,我们在一个真实的人体心脏中测试了计算框架,得到了压力和局部心肌流量都在生理范围内的结果。

MSC公司:

92年XX月 生物学和其他自然科学
74-XX岁 可变形固体力学

软件:

FEniCS公司
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部 链接

参考文献:

[1] Zygote solid 3d heart generation ii开发报告(2014),Zygote Media Group Inc.,技术报告
[2] 阿格尔,P。;Lakshminrusimha,S。;Laustsen,C。;古吉诺,S。;Frandsen,J.R。;Smerup,M。;安德森·R·H。;Hjortdal,V。;Steinhorn,R.H.,绵羊动物模型中新生儿持续性肺动脉高压的心肌结构变化,Pediatr。Res.,79,4565-574(2016年4月)
[3] Alns,医学硕士。;布莱希塔,J。;Hake,J。;Johansson,A。;Kehlet,B。;Logg,A。;Richardson,C。;Ring,J。;罗杰斯,M.E。;Wells,G.N.,《围栏项目1.5版》,Arch。数字。软质。,3, 100 (2015)
[4] 安提瓜,L。;Piccinelli,M。;博蒂,L。;Ene Iordache,B.公司。;雷穆齐,A。;Steinman,D.A.,《基于图像的患者特定计算血流动力学建模框架》,《医学生物学》。工程计算。,46, 11, 1097 (2008)
[5] 巴迪亚,S。;Nobile,F。;Vergara,C.,基于Robin传输条件的流体-结构分区程序,J.Compute。物理。,227, 7027-7051 (2008) ·Zbl 1140.74010号
[6] Bae,Y.G。;Hwang,S.T。;Han,H。;Kim,S.M。;Kim,H。;公园,I。;Lee,J.M。;Moon,Y。;Choi,J.,基于冠状动脉腔内衰减梯度计算分析的非侵入性冠状动脉生理学,科学。代表,8,1,4692(2018)
[7] 拜耳,J.D。;R.C.布莱克。;普朗克,G。;Trayanova,N.A.,一种新的基于规则的算法,用于为计算心脏模型分配心肌纤维方向,Ann.Biomed。工程师,40,10,2243-2254(2012年10月)
[8] 伯杰,L。;博尔达斯,R。;Burrows,K。;格劳,V。;Tarede,S。;Kay,D.,《耦合到流体网络的多孔弹性模型及其在肺部建模中的应用》,国际期刊数值。方法生物识别。工程,32,1,文章e02731 pp.(2016)
[9] 布兰科,P.J。;de Queiroz,R.A.B。;Feijóo,R.A.,《在血管区域生成并发动脉网络的计算方法》,国际期刊编号。方法生物识别。工程师,29,5,601-614(2013年5月)
[10] 布兰科,P.J。;费约奥,R.A。;Urquisa,S.A.,耦合三维模型及其血流应用的统一变分方法,计算。方法应用。机械。工程,196,4391-4410(2007)·Zbl 1173.76430号
[11] Boettler,P。;克劳斯,P。;赫伯特。;麦克劳林,M。;D'Hooge,J。;Bijnns,B。;Ho,S.Y。;Kececioglu,D。;Sutherland,G.R.,心室间隔及其功能的新方面:超声心动图研究,心脏,91,10,1343-1348(2005)
[12] 卡鲁索,D。;开斋节,M。;英国肖普夫。;Jin,K.N。;瓦尔加-西姆斯,A。;Tesche,C。;Mangold,S。;Spandorfer,A。;拉吉,A。;De Cecco,C.N.,动态CT心肌灌注成像,欧洲放射医学杂志。,85, 10, 1893-1899 (2016)
[13] 沙佩尔,D。;Gerbeau,J.F。;圣玛丽,J。;Vignon-Clementel,I.E.,一种适用于大应变的多孔弹性模型,用于心脏建模中的灌注,计算机。机械。,46, 1, 91-101 (2010) ·Zbl 1301.92016年
[14] Chilian,W.M。;Layne,S.M。;克劳斯纳,E.C。;伊斯坦,C.L。;Marcus,M.L.,双嘧达莫产生的冠状微血管阻力的再分布,美国生理学杂志。,心脏循环。生理学。,第256、2条,第25/2页(1989年)
[15] 库克森,A.N。;Lee,J。;Michler,C。;Chabiniok,R。;海德,E。;Nordsletten,D.A。;辛克莱,M。;西贝斯,M。;Smith,N.P.,《模拟冠状动脉灌注和心肌力学之间相互作用的新型多孔力学框架》,J.Biomech。,45, 5, 850-855 (2012)
[16] Dapogny,C。;Frey,P.,基于自适应三角剖分的离散等高线符号距离函数的计算,Calcolo,49,3,193-219(2012年1月)·Zbl 1258.65087号
[17] 戴维勒,C。;格雷尼尔,T。;Ratiney,H。;斯迪卡,M。;克罗西耶,P。;Viallon,M.,《磁共振灌注加权成像前灌注定量的自动心肌缺血损伤检测:预建模策略》,计算机。生物医学,110108-119(2019年4月)
[18] 德帕里斯,S。;Discacciati,M。;Fourestey,G。;Quarteroni,A.,基于Steklov-Poincaré算子的流体结构算法,Comput。方法应用。机械。工程,195,41-43,5797-5812(2006)·Zbl 1124.76026号
[19] 德帕里斯,S。;格兰佩林,G。;Quarteroni,A.,非定常Navier-Stokes方程的并行预处理器及其在血流动力学模拟中的应用,计算机。流体,92,253-273(2014)·Zbl 1391.76887号
[20] Discacciati,M。;Quarteroni,A。;Valli,A.,《斯托克斯-达西耦合的Robin-Robin区域分解方法》,SIAM J.Numer。分析。,45, 3, 1246-1268 (2007) ·Zbl 1139.76030号
[21] 剂量,R。;Soto-Iglesias,D。;Bernardino,G。;Alcaine,A。;塞巴斯蒂安,R。;Giffard-Roisin,S。;Sermesant,M。;Berruezo,A。;桑切斯·金塔纳,D。;Camara,O.,《利用流出道在心脏双心室几何结构中模拟心肌纤维取向的基于规则的方法》,国际期刊Numer。方法生物识别。工程,35,4(2019)
[22] Eck,B.L。;Fahmi,R。;李维,J。;票价,A。;Wu,H。;李毅。;Vembar,M。;Dhanantwari,A。;Bezerra,H.G。;Wilson,D.L.,定量心肌灌注成像ct与高分辨率冷冻图像荧光微球流的比较,(Proc SPIE Int Soc Opt Eng(2016)),9788,97882F
[23] Elias,R.N。;马丁斯,M.A.D。;Coutinho,A.L.G.A.,非结构化网格中基于简单有限元的距离函数计算,国际期刊数值。方法工程,72,9,1095-1110(2007)·Zbl 1194.65145号
[24] Fedele,M.,《用于完整心脏功能数值模拟的多边形曲面处理和网格生成工具》(2019年),米兰理工大学,MOX报告32
[25] 费德勒,M。;法吉亚诺,E。;Dedè,L。;Quarteroni,A.,基于移动阻力浸没隐式表面的患者特定主动脉瓣模型,Biomech。模型。机械双醇。,16, 5, 1779-1803 (2017)
[26] Formaggia,L。;Vergara,C.,《流体动力学中一般缺陷边界条件的规定》,米兰J.数学。,80, 2, 333-350 (2012) ·Zbl 1342.76040号
[27] 福蒂博士。;Dedè,L.,在高性能计算框架中使用VMS-LES建模对Navier-Stokes方程进行半隐式BDF时间离散,Compute。流体,117168-182(2015)·Zbl 1390.76149号
[28] Gonzalez Tendero,A。;张,C。;巴利切维奇,V。;卡登斯,R。;Loncaric,S.公司。;布塔科夫,C。;鲍恩(Paun,B.)。;博宁,A。;Garcia-Cañadilla,P。;穆尼奥斯·莫雷诺,E。;格拉塔科斯,E。;克里斯皮,F。;Bijnens,B.,《来自X射线相位控制同步辐射计算机断层扫描的全心脏详细和定量解剖、肌纤维结构和血管系统》,《欧洲心脏杂志》。成像,18,7,732-741(2017)
[29] 商誉,A.G。;Dick,G.M。;基尔,A.M。;Tune,J.D.,《冠状动脉血流调节》,321-382(2017),美国癌症学会
[30] Guerciotti,B。;Vergara,C。;南卡罗来纳州伊波利托。;Quarteroni,A。;Antona,C。;Scrofai,R.,冠状动脉Y型移植物的计算流体-结构相互作用分析,医学工程物理。,47, 117-127 (2017)
[31] Zhao,H.,Eikonal方程的快速扫掠方法,数学。计算。,74、250、603-628(2004年5月)·Zbl 1070.65113号
[32] Huyghe,J.M.,分层排列多孔固体的有限变形理论(本构行为),国际工程科学杂志。,33, 13, 1873-1886 (1995) ·Zbl 0899.73441号
[33] Huyghe,J.M。;Van Campen,D.H.,分层排列多孔固体的有限变形理论——I.质量和动量平衡,国际工程科学杂志。,33, 13, 1861-1871 (1995) ·Zbl 0899.73440号
[34] 海德,E.R。;Michler,C。;Lee,J。;库克森,A.N。;Chabiniok,R。;Nordsletten,D.A。;Smith,N.P.,《离散血管网络的多尺度连续灌注模型参数化》,《医学生物学》。工程计算。,51, 5, 557-570 (2013)
[35] 海德,E.R。;库克森,A.N。;Lee,J。;Michler,C。;戈亚尔,A。;索契,T。;Chabiniok,R。;辛克莱,M。;Nordsletten,D.A。;斯潘,J。;Van Den Wijngaard,J.P.H.M。;西贝斯,M。;Smith,N.P.,《使用全身动脉网络的心肌灌注模型的多尺度参数化》,Ann.Biomed。工程,42,4,797-811(2014)
[36] 贾奎特,C。;纳杰曼,L。;Talbot,H。;格雷迪·L。;沙普,M。;西班牙,B。;Kim,H.J。;Vignon Clementel,I。;Taylor,C.A.,《特定患者心血管网络的生成:基于图像和合成几何模型的混合模型》,IEEE Trans。生物识别。工程,66,4,946-955(2019)
[37] Kabinejadian,F。;Ghista,D.N.,耦合序贯冠状动脉旁路移植的顺应性模型:血管壁弹性和非牛顿流变学对血流状态和血流动力学参数分布的影响,医学工程物理。,34, 7, 860-872 (2012)
[38] 凯莫维茨,B。;Lanir,Y。;Kassab,G.S.,《基于详细解剖数据的猪冠状动脉血管大尺度三维几何重建》,Ann.Biomed。工程师,33,11,1517-1535(2005年11月)
[39] Kassab,G.S。;Rider,C.A。;新泽西州唐。;Fung,Y.C.,猪冠状动脉树的形态计量学,美国生理学杂志。,心脏循环。生理学。,265,1,H350-H365(1993)
[40] Kimmel,R。;Sethian,J.A.,《计算流形上的测地线》,Proc。国家。阿卡德。科学。,95、15、8431-8435(1998年7月)·Zbl 0908.65049号
[41] Lee,J。;库克森,A。;Chabiniok,R。;里沃罗,S。;海德,E。;辛克莱,M。;Michler,C。;索契,T。;Smith,N.,心脏灌注的多尺度建模,(心脏和循环系统建模(2015),Springer),51-96
[42] Lee,J。;Nordsletten,D。;库克森,A。;里沃罗,S。;Smith,N.,计算机冠状动脉波强度分析:心脏灌注的集成一维和孔隙力学模型的应用,Biotech。模型。机械双醇。,15, 6, 1535-1555 (2016)
[43] Lee,J。;Smith,N.P.,《冠状动脉血流的多尺度建模》,Ann.Biomed。工程师,4022399-2413(2012)
[44] Logg,A。;马尔达尔,K.-A。;Wells,G.N.,《用有限元法自动求解微分方程》(2012),Springer·Zbl 1247.65105号
[45] 马库斯,R.P。;Nikolaou,K。;Theisen,D。;Reiser,M.F。;Bamberg,F.,《计算机断层扫描心肌灌注成像:今天和明天》,国际临床杂志。实际。,65,补充173,14-22(2011)
[46] 梅内尔,F.G。;美国埃伯斯伯格。;英国肖普夫。;Lo,G.G。;Choe,Y.H。;Wang,Y。;Maivelett,J.A。;Krazinski,A.W。;马库斯,R.P。;F.班伯格。;De Cecco,C.N.,《动态CT下左心室心肌灌注的全局量化:在多中心患者群体中的可行性》,美国伦琴诺医学杂志。,2, 203, 174-180 (2014)
[47] Michler,C。;库克森,A.N。;Chabiniok,R。;海德,E。;Lee,J。;辛克莱,M。;索契,T。;戈亚尔,A。;维古拉斯,G。;Nordsletten,D.A。;Smith,N.P.,《使用多组分Darcy多孔介质流模型模拟心脏灌注的计算效率框架》,国际期刊Numer。方法生物识别。工程师,29,2,217-232(2013年2月)
[48] 米什拉,A。;Jain,A。;印度贾,M。;瓦德哈瓦,V。;帕特尔·R。;Vaidhya,N。;罗德里克斯,D。;Patel,H.,《带壁内冠状动脉的大动脉转位:改良外科技术的经验》,Braz。心血管学杂志。外科,31,1,15-21(2016)
[49] Namani,R。;Kassab,G.S。;Lanir,Y.,《结合血流分散均匀性的冠状血管形态重建》,Front。生理学。,9, 1069 (2018)
[50] Pontone,G。;安德烈尼,D。;瓜里奇,A.I。;Baggiano,A。;Fazzari,F。;Guglielmo,M。;Muscogiuri,G。;Berzovini,C.M。;Pasquini,A。;Mushtaq,S。;孔戴,E。;Calligaris,G。;De Martini,S。;C.法拉利。;加利,S。;Grancini,L。;Ravagnani,P。;Teruzzi,G。;Trabattoni,D。;Fabbiocchi,F。;Lualdi,A。;Montorsi,P。;Rabbat,M.G。;Bartorelli,A.L。;Pepi,M.,《使用全心覆盖ct扫描仪对疑似冠心病的中高危症状患者进行压力ct心肌灌注的增量诊断价值》,JACC:心血管病。成像,12,2,338-349(2019年2月)
[51] Pontone,G。;Rabbat,M.G。;Guaricci,A.I.,应力CT灌注,Circ。心血管疾病。成像,10,4,1-3(2017)
[52] Ponzini,R。;Vergara,C。;Redaelli,A。;Veneziani,A.,基于CFD的血流动力学测量流速的可靠估算,超声医学生物学。,32, 10, 1545-1555 (2006)
[53] Porpora,A。;祖尼诺,P。;Vergara,C。;Piccinelli,M.,《用边界条件的数值处理来代替血流动力学中的侧支》,国际期刊《数值》。方法生物识别。工程师,2012年12月28日,1165-1183
[54] Quarteroni,A。;Dede',L。;Manzoni,A。;Vergara,C.,《人类心血管系统的数学建模:数据,数值逼近,临床应用》,第33卷(2019年),剑桥大学出版社·Zbl 1411.92003年
[55] Quarteroni,A。;Manzoni,A。;Vergara,C.,《心血管系统:数学建模、数值算法和临床应用》,数字学报。,26, 365-590 (2017) ·Zbl 1376.92016号
[56] Quarteroni,A。;Valli,A.,偏微分方程的区域分解方法(1999),牛津科学出版物·Zbl 0931.65118号
[57] Rohan,E。;卢克什,V。;Jonášová,A.,基于多孔介质中多组分流动的肝脏对比增强灌注试验建模,J.Math。生物学,77,2,421-454(2018)·Zbl 1393.76125号
[58] Saad,Y.,一种灵活的内外预条件GMRES算法,SIAM J.Sci。计算。,14, 2, 461-469 (1993) ·Zbl 0780.65022号
[59] Sánchez-Quintana,D。;多布拉多·卡拉特拉瓦,M。;Cabrera,J.A。;马西亚斯,Y。;Saremi,F.,心脏介入电生理学家的解剖学基础,生物医学研究国际,2015,1-24(2015)
[60] 桑卡兰,S。;Esmaily Moghadam,M。;卡恩,A.M。;曾,E.E。;古奇奥内,J.M。;Marsden,A.L.,《冠状动脉旁路移植手术患者特异性多尺度血流建模》,Ann.Biomed。工程师,40,10,2228-2242(2012年10月)
[61] 桑卡拉纳拉亚南,M。;吉斯塔,D.N。;Poh,C.L。;Seng,T.Y。;Kassab,G.S.,《体外冠脉搭桥模型中的血流分析》,美国生理学杂志。,心脏循环。生理学。,291、1、H283-H295(2006)
[62] 施莱纳,W。;Buxbaum,P.F.,血管树的计算机优化,IEEE Trans。生物识别。工程师,40,5,482-491(1993年5月)
[63] 施莱纳,W。;Karch,R。;Neumann,M。;Neumann,F。;Szawlowski,P。;Roedler,S.,《供应中空器官的优化动脉树》,医学工程物理。,28, 5, 416-429 (2006)
[64] N.P.史密斯。;普兰,A.J。;Hunter,P.J.,《心脏瞬态冠状动脉血流的解剖学模型》,SIAM J.Appl。数学。,62、3、990-1018(2002年1月)·兹比尔1023.76061
[65] 尼古拉斯·史密斯(Nicolas P.Smith)。;普兰,A.J。;Hunter,P.J.,《基于解剖的几何冠状动脉模型的生成》,Ann.Biomed。工程,28,1,14-25(2000)
[66] 斯潘,J。;科利瓦,C。;Van Den Wijngaard,J。;特威,R。;Van Horssen,P。;Piek,J。;Siebes,M.,《健康与疾病中的冠状动脉结构和灌注》,Philos。事务处理。R.Soc.A,数学。物理学。工程科学。,366, 1878, 3137-3153 (2008)
[67] Spaan,J.A.E。;西贝斯,M。;特·韦,R。;科利瓦,C。;van Teeffelen,J.W.G.E。;Vink,H。;Fokkema,D.S。;斯特雷克斯特拉,G。;VanBavel,E.,通过成像低温切片机对壁内冠状血管的可视化表明心肌灌注区域的划分,医学生物学。工程计算。,43, 4, 431-435 (2005)
[68] C.D.斯特德曼。;Jerosch-Herold,M。;Grundy,B。;拉菲尔特,S。;Ng,L.L。;I.B.乡绅。;新泽西州萨马尼。;McCann,G.P.,严重主动脉狭窄患者心肌灌注储备的决定因素和功能意义,JACC:心血管病。成像,5,2,182-189(2012)
[69] Howatson Tawhai,M。;普兰,A.J。;Hunter,P.J.,《基于解剖的导电气道三维模型的生成》,Ann.Biomed。工程师,28,7793-802(2000)
[70] Tezduyar,T.E.,《不可压缩流动计算的稳定有限元公式》,《应用力学进展》,第28卷,1-44(1991),Elsevier·Zbl 0747.76069号
[71] 托马斯·L。;马威克,T。;Bogdan,A.P。;多纳尔,E。;Badano,L.P.,《左心房结构和功能与左心室舒张功能障碍:雅加达最新综述》,J.Am.Coll。心脏病学。,73, 15, 1961-1977 (2019)
[72] 托比斯卡,L。;Lube,G.,求解定常Navier-Stokes方程的改进流线扩散法,数值。数学。,59、1、13-29(1991年12月)·Zbl 0696.76034号
[73] Vergara,C.,《不可压缩流体动力学中缺陷边值问题的Nitsche方法》,《科学杂志》。计算。,46, 1, 100-123 (2011) ·Zbl 1237.65116号
[74] 维多托,E。;科赫,T。;Köppl,T。;赫尔米格,R。;Wohlmuth,B.,微血管网络中模拟血流的混合模型,多尺度模型。模拟。,17, 3, 1076-1102 (2018) ·Zbl 1433.76200号
[75] 武荣,A.-T。;Yoshihara,L。;Wall,W.A.,有限变形下通过多孔介质的相互作用流建模的一般方法,计算。方法应用。机械。工程,2831240-1259(2015)·Zbl 1423.76447号
[76] Wang,C.Y。;Bassingthwaighte,James B.,《区域填充分配网络模型》,数学。计算。型号。,13, 10, 27-33 (1990) ·Zbl 0748.28006号
[77] 北卡罗来纳州韦斯特霍夫。;波尔,C。;兰伯特,R.R。;Sipkema,P.,《心肌和冠状血管之间的交叉对话》,《生理学》。版次:86、4、1263-1308(2006)
[78] Yin,Y。;Choi,J。;霍夫曼,E.A。;Tawhai,M.H。;Lin,C.-L.,具有时变区域通气的基于多尺度MDCT图像的呼吸肺模型,J.Comput。物理。,244168-192(2013年7月)·Zbl 1377.92025号
[79] Yoshihara,L。;Roth,C.J。;Wall,W.A.,《流体-结构相互作用,包括与均质子域的体积耦合,用于模拟呼吸力学》,国际期刊数值。方法生物识别。Eng.,33,4,Article e2812 pp.(2016年7月)
[80] Zamir,M.,动脉分支的最优化原则,J.Theor。生物学,62,1,227-251(1976)
[81] Zamir,M.,动脉分支中的非对称分叉,J.Gen.Physiol。,72,6837-845(1978年12月)
[82] Zamir,M。;菲普斯,S。;兰吉尔,B.L。;Wonnacott,T.H.,大鼠冠状动脉的分支特征,加拿大。《生理学杂志》。《药剂学》,62,121453-1459(1984)
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。