Modeling the cardiac response to hemodynamic changes associated with COVID-19: a computational study

Luca Dedè; Francesco Regazzoni; Christian Vergara; Paolo Zunino; Marco Guglielmo; Roberto Scrofani; Laura Fusini; Chiara Cogliati; Gianluca Pontone; Alfio Quarteroni; Luca Dedè; Francesco Regazzoni; Christian Vergara; Paolo Zunino; Marco Guglielmo; Roberto Scrofani; Laura Fusini; Chiara Cogliati; Gianluca Pontone; Alfio Quarteroni

doi:10.3934/mbe.2021168

数学生物科学与工程

2021,第18卷, 第4版以下为： 3364-3383. 数字对象标识：10.3934/月2021168

研究文章

模拟新冠肺炎相关血流动力学变化的心脏反应：一项计算研究

1
意大利米兰Politecnico di Milano，Matematica研究生院MOX
2
意大利米兰Politecnico di Milano的Materiali e Ingegneria Chimica实验室
三。
意大利米兰蒙齐诺心脏病研究中心
4
Ospedale L.Sacco，意大利米兰
5
瑞士洛桑高等技术学院数学研究所（名誉教授）

学术编辑：Adélia Sequeira

收到：2021年1月14日 认可的：2021年4月7日 出版：2021年4月15日

新出现的研究探讨了新冠肺炎感染如何影响人类心血管系统。这尤其与心肌损伤、急性冠脉综合征、心肌炎、心律失常和心力衰竭的发生有关。建议对这些患者采取前瞻性治疗方法。为了研究局部变化（收缩力降低）、全局变量（外周阻力、心率）和心脏功能之间的相互作用，我们考虑了心血管系统的集总参数计算模型和心脏电力学的三维多物理模型。我们的数学模型可以通过描述基本物理过程的方程来模拟全身和肺循环、四个心脏瓣膜和四个心室。通过评估通过数值模拟获得的心功能的传统相关参数，我们提出了一个计算模型，以有效地揭示受轻度或重度新冠肺炎影响的基线时心功能正常和受损的虚拟受试者的心肺功能之间的相互作用。
- 新冠肺炎,
- 计算模型,
- 心血管系统,
- 心脏功能,
- 数值模拟
引用：卢卡·戴德（Luca Dedè）、弗朗西斯科·雷加佐尼（Francesco Regazzoni）、克里斯蒂安·维尔加拉（Christian Vergara）、保罗·祖尼诺（Paolo Zunino）、马可·古列尔莫（Marco Guglielmo）、罗伯托·斯克罗法尼（Roberto Scrofai）、劳拉·福西尼（Laura Fusini）、恰拉·科利亚蒂（。模拟与新型冠状病毒肺炎相关的血流动力学变化的心脏反应：一项计算研究[J]。数学生物科学与工程，2021，18（4）：3364-3383。doi:10.3934/月.2021168

相关论文：

摘要

新出现的研究探讨了新冠肺炎感染如何影响人类心血管系统。这尤其与心肌损伤、急性冠脉综合征、心肌炎、心律失常和心力衰竭的发生有关。建议对这些患者采取前瞻性治疗方法。为了研究局部变化（收缩力降低）、全局变量（外周阻力、心率）和心脏功能之间的相互作用，我们考虑了心血管系统的集总参数计算模型和心脏电力学的三维多物理模型。我们的数学模型可以通过描述基本物理过程的方程来模拟全身和肺循环、四个心脏瓣膜和四个心室。通过评估通过数值模拟获得的心功能的传统相关参数，我们提出了一个计算模型，以有效地揭示受轻度或重度新冠肺炎影响的基线时心功能正常和受损的虚拟受试者的心肺功能之间的相互作用。

工具书类

[1]	M.Madjid，P.Safavi-Naeini，S.D.Solomon，O.Vardeny，《冠状病毒对心血管系统的潜在影响——综述》，JAMA Cardiol公司。,5(2020), 831-840.
[2]	T.Guo，Y.Fan，M.Chen，X.Wu，L.Zhang，T.He，等，2019年冠状病毒病患者死亡结局的心血管影响（COVID-19），JAMA Cardiol公司。,5(2020), 811-818.
[3]	Q.Ruan，K.Yang，W.Wang，L.Jiang，J.Song，基于对中国武汉150名患者数据的分析得出的新型冠状病毒肺炎死亡率的临床预测因子，重症监护。医学。,46(2020), 846-848.
[4]	周凤、余涛、杜瑞瑞、樊国芳、刘玉英、刘振中等，中国武汉市新型冠状病毒肺炎成人住院患者的临床病程和死亡风险因素：一项回顾性队列研究，柳叶刀， 395(2020), 1054-1062.
[5]	A.Lala、K.W.Johnson、J.L.Januzzi、A.J.Russak、I.Paranjpe、F.Richter等，《新冠肺炎住院患者心肌损伤的患病率和影响》，JACC、， 76（2020），533-546。
[6]	R.Kawakami、A.Sakamoto、K.Kawai、A.Gianatti、D.Pellegrini、A.Nasr等，SARS-CoV-2作为心肌炎病因的病理学证据：JACC本周回顾主题，美国大学J.Am.Coll。心脏病。,77(2021), 314-325.
[7]	T.Mauri、E.Spinelli、E.Scotti、G.Colussi、M.C.Basile、S.Crotti等，2019年冠状病毒病急性呼吸窘迫综合征患者肺复张和通气灌注不匹配的可能性，批评。护理医学。,48（2020），1129。
[8]	A.Quarteroni，L.Dede’，A.Manzoni，C.Vergara，《人类心血管系统的数学建模-数据，数值近似，临床应用》，剑桥大学出版社，（2019年）。
[9]	M.Olufsen、C.Peskin、W.Kim、E.Pedersen、A.Nadim、J.Larsen，结构化树流出条件下动脉血流的数值模拟和实验验证，安。生物识别。工程。,28(2000), 1281-1299.
[10]	A.Quarteroni，S.Ragni，A.Veneziani，血液流动问题集中模型和分布式模型之间的耦合，计算。视觉。科学。， 4(2001), 111-124,
[11]	L.G.Fernandes，P.R.Trenhago，R.A.Feijóo，P.J.Blanco，具有短时间尺度控制机制的综合心肺系统模型，国际期刊方法编号。生物识别。工程师。，（2020），e3332。
[12]	F.Regazzoni，M.Salvador，P.Africa，M.Fedele，L.Dede’，A.Quarteroni，《心脏机电模型与闭环血液循环集总参数模型耦合》。第一部分：模型推导，arXive、，（2020），arXiv:2011.5040。
[13]	F.Regazzoni，M.Salvador，P.Africa，M.Fedele，L.Dede’，Quarteroni A，闭环血液循环的心脏机电模型与集总参数模型相结合。第二部分：数值近似，arXive、，（2020），arXiv:2011.5051。
[14]	A.Quarteroni，A.Veneziani，C.Vergara，心血管系统的几何多尺度建模，理论与实践之间，计算。方法应用。机械。工程师。,302(2016), 193-252.
[15]	A.Quarteroni、A.Manzoni、C.Vergara，《心血管系统：数学建模、数值算法、临床应用》，数字学报,26(2017), 365-590.
[16]	J.D.Bayer，R.C.Blake，G.Plank，N.Trayanova，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，安。生物识别。工程师。,40(2012), 2243-2254.
[17]	K.H.Ten Tusscher，A.V.Panfilov，Alternans和人类心室组织模型中的螺旋破裂，阿默尔。《生理学杂志》-心脏循环。生理学。,291（2006），H1088-H1100。
[18]	P.C.Franzone，L.F.Pavarino，S.Scacchi，《心脏电生理数学》，第13卷，施普林格，2014
[19]	F.Regazzoni，L.Dedè，A.Quarteroni，多尺度心脏活动力学的生物物理详细数学模型，公共科学图书馆计算。生物.,16（2020），e1008294。
[20]	T.P.Usyk，I.J.LeGrice，A.D.McCulloch，三维心脏电力学计算模型，计算。视觉。科学.,4(2002), 249-257.
[21]	A.Quarteroni，A.Valli，偏微分方程的数值逼近，第23卷，施普林格科技与商业媒体, 2008.
[22]	T.Y.Xiong，S.Redwood，B.Prendergast，M.Chen，冠状病毒与心血管系统：急性和长期影响，欧洲心脏杂志.,41(2020), 1798-1800.
[23]	P.Qian-Yi，W.Xiao-Ting，Z.Li-Na，中国重症监护超声研究小组（CCUSG）。应用超声心动图指导新型冠状病毒肺炎的治疗，批评。护理,24(2020), 143.
[24]	M.Hirschvogel、M.Bassilious、L.Jagschies、S.M.Wildhirt、M.W.Gee，心脏和血管系统的整体3D-0D耦合闭环模型：基于实验的患者特定心脏力学参数估计，国际期刊方法编号。生物识别。工程师。， 33（2017），e2842。
[25]	K.R.Walley，C.J.Becker，R.A.Hogan，K.Teplinsky，L.D.Wood，渐进性低氧血症限制左心室耗氧量和收缩力，循环。研究。,63(1998), 849-859.
[26]	J.Boehme、N.Le Moan、R.J.Kameny、A.Loucks、M.J.Johengen、A.L.Lesneski等，新型氧气输送生物治疗药物OMX-CV在急性缺氧期间保护心肌收缩力，公共科学图书馆生物.,16（2018），e2005924。
[27]	R.M.Lang，L.P.Badano，V.Mor-Avi，J.Afilalo，A.Armstrong，L.Ernand，et al.，《成年人超声心动图心动室定量的建议：美国超声心动图学会和欧洲心血管成像协会的更新》，《欧洲心脏杂志》心血管杂志。成像， 17（2016），第412页。
[28]	A.M.Maceira、S.K.Prasad、M.Khan、D.J.Pennell，根据稳态自由进动心血管磁共振对年龄、性别和体表面积标准化的参考右心室收缩和舒张功能，欧洲心脏杂志。,27(2006), 2879-2888.
[29]	A.Maceira，稳态自由进动心血管磁共振左心室收缩和舒张功能正常化，心血管杂志。Magn.公司。Reson公司。,8(2006), 417-426.
[30]	P.A.Cain，R.Ahl，E.Hedstrom，M.Ugander，A.Allansdotter-Johnsson，P.Friberg等人，梯度回波磁共振成像左心室质量、容积和功能的年龄和性别特定正常值：一项横断面研究，BMC医学成像,9(2009).
[31]	李彦宏，李海丽，朱淑，谢彦，王斌，何丽莲，等，新型冠状病毒肺炎患者右心室纵向应变的预测价值，心血管疾病。成像,13(2020), 2287-2299.
[32]	S.Ghio，M.Guazzi，A.B.Scardovi，C.Klersy，F.Clemenza，E.Carluccio等，射血分数降低或保持的心力衰竭患者右心室功能障碍的不同相关但相似的预后意义，《欧洲心脏病杂志》。,19(2017), 873-879.
[33]	E.Carluccio，P.Biagioli，G.Alunni，A.Murrone，C.Zuchi，S.Coiro等，射血分数降低的心力衰竭患者右室功能障碍的预后价值-纵向应变相对于三尖瓣环平面收缩偏移的优势，循环。心血管疾病。成像;11（2018），e006894。
[34]	H.A.Kontos，H.P.Mauck JR，D.W.Richardson，J.L.Patterson JR，麻醉犬全身缺氧的循环反应机制，Am.J.Physiol-Legacy内容,209(1965), 397-403.
[35]	《Zygote Solid 3D心脏II代开发报告》，2014年技术报告。可从以下位置获得：https://www.zyte.com/.
[36]	S.Heinke，C.Pereira，S.Leonhardt，M.Walter，使用面向对象的建模环境Dymola为健康人和心力衰竭患者建模，医学生物学。工程计算。,53（2015），1049-1068。
[37]	T.Heldt，E.B.Shim，R.D.Kamm，R.G.Mark，直立压力下心血管反应的计算模型，J.应用。生理学。， 92(2002), 1239-1254.
[38]	A.Albanese，L.Cheng，M.Ursino，N.W.Chbat，人类心肺系统的综合数学模型：模型开发，美国生理学杂志。心脏循环。生理学。,310（2016），H899-H921。
[39]	C.Ngo，S.Dahlmanns，T.Vollmer，B.Misgeld，S.Leonhardt，研究人类心肺血流动力学相互作用的面向对象计算模型，计算。生物识别方法程序。,159(2018), 167-183.
[40]	K.Hemalata，M.Manivannan，《详细集总参数模型的心肺相互作用血流动力学研究》，国际生物医学杂志。工程技术。， 6(2011), 251-271
[41]	M.Busana、M.Schiavone、A.Lanfranchi、G.B.Forleo、E.Ceriani、C.B.Cogliati等，早期冠状病毒感染的非侵入性血流动力学特征，生理学。代表。,8（2020），e14628。
[42]	S.Di Gregorio、M.Fedele、G.Pontone、A.F.Corno、P.Zunino、C.Vergara等，《人体心脏心肌灌注的多尺度计算模型》，J.计算。物理。， 424(2021), 109836.