文摘

两个病例报告显示,CRT的组合和使用效益的终末期心力衰竭患者明显延长QRS时间间隔。的一个报告,病人使用删除由于心脏功能的恢复。然而,合并后的设备的量化尚未进行。本研究旨在计算预测的影响CRT-only或结合使用机电行为失败的心室和左束支阻塞(更多)和右束支阻塞(RBBB)条件。受试者是正常窦性心律,确诊,RBBB,确诊与CRT-only RBBB CRT-only,与CRT +使用更多,RBBB CRT +使用。结果表明,CRT-only缩短总电激活时间(吃)确诊和RBBB条件20.2%和17.1%,分别。CRT-only减少总机械活化时间延迟(垫)和机电(EMD)心室在确诊了21.3%和10.1%,分别。此外,CRT-only收缩三磷酸腺苷(ATP)消耗减少了5%,增加6%,左心室(LV)压力和增强心输出量(CO)在确诊条件下由0.2升/分钟。然而,CRT-only RBBB条件下几乎不影响心室。在更多情况下,CRT +使用LV压力和公司增加了10.5%和0.9 L / min,分别。 CRT + LVAD reduced ATP consumption by 15%, shortened the MAT by 23.4%, and shortened the EMD by 15.2%. In conclusion, we computationally predicted and quantified that the CRT + LVAD implementation is superior to CRT-only implementation particularly in HF with LBBB condition.

1。介绍

心力衰竭(HF)中扮演着重要的角色在全球死亡的数量1]。因此,研究心脏疾病,包括心律失常,从而逐步导致高频条件下,是非常重要的。两种类型的心脏治疗设备通常用于治疗心脏疾病患者:心脏再同步化治疗(CRT)和左心室辅助装置(使用)。CRT被认为是一种有价值的治疗合并心力衰竭患者QRS时间间隔> 120 ms和左心室射血分数(EF) < 35% (2,3]。大量的研究显示使用CRT显著的好处。CRT同步收缩功能(4- - - - - -6[],恢复心脏结构7,8,改善症状和生活质量的患者被锻炼耐力的提高(3,8- - - - - -12]。然而,30%的心力衰竭患者未能受益于CRT (9]。胡锦涛et al。(13]描述了三个主要的答复可以从CRT治疗:获得脑室的再同步收缩,有效正确的心房收缩心室预加载,并减少二尖瓣返流。的一个研究结果是,再同步脑室收缩本身并不一定导致中风的改进工作。然而,房室同步的点火时间是至关重要的。

使用支持通过机械卸载减弱心脏心室泵。使用最初用作桥为终末期疾病患者移植(14,15]。然而,由于心脏捐赠者非常有限的可用性,使用现在用作目标治疗,因为它持续年(16- - - - - -18]。使用逆转受损的心室心肌功能恢复,修复左心室(LV)质量(19,20.)、心腔大小(20.,21),提高二尖瓣填充(22),诱导心肌细胞肥大回归(21,22]。使用的使用也增加了病人的生活质量(23- - - - - -25]。以前,我们观察到的影响使用的机电延迟(EMD)轻微和严重的高频条件下26]。结果表明,使用不仅增加了英孚也缩短了EMD轻度心力衰竭和严重的高频条件下更好。缓解症状的比较研究的CRT和使用Delgado等人得出的结论是,两款手机的使用可以实现协同改善心脏功能严重心力衰竭治疗(27]。

2011年,病例报告的一篇文章指出,终末期心力衰竭的CRT支持恢复一个15岁的病人接受了使用植入(28]。CRT缩短间隔后壁运动延迟从146毫秒到104毫秒,和整体,它支持血流动力学改善。这样的改进后,病人成功地使用了。在另一个病例报告文章,CRT和使用合作恢复心脏功能的62岁的病人心原性休克和左束支阻滞(更多)29日]。报告指出,CRT的组合和使用进行了深刻的治疗确诊条件下于心的走软。它恢复心脏肥大,EF是增加的。根据这些报告,我们进行了计算模拟,它结合了CRT和使用失败心室确诊和RBBB为了理解这两个设备的机制相结合提供这样的改进到心脏。

我们最好的知识,计算研究,量化结合CRT和使用的效果还有待进行。本研究旨在预测,计算机电失败心室模型,独自CRT的影响,CRT的组合和使用治疗患者确诊或右束支块(RBBB)。我们使用成熟的机电室模型被用于观察不同的心脏疾病,包括长期EMD失高频条件(30.),mechanoelectrical反馈滚动波稳定(31日),而自发的心律失常在急性缺血区域(32]。最近,我们组通过使用类似的机电耦合模型,揭示了影响KCNQ1 S140G突变arrhythmogenesis和泵送性能(33]。我们使用的计算方法来克服测量实验研究的局限性和风险。我们分析了七个高频疾病和疗法:(i)正常窦性心律,(ii)确诊,(iii)确诊CRT(确诊+ CRT), (iv)确诊CRT和使用组合(确诊+ CRT +使用)(v) RBBB, (vi) RBBB单独使用CRT (RBBB + CRT)和(七)RBBB CRT和使用(RBBB + CRT +使用条件。

2。材料和方法

我们跟着一个现有的成熟的机电失败心室模型与纤维和层流板结构基于扩散张量磁共振成像(34- - - - - -37]。在这项研究中,我们的机电模型加上循环系统和使用模型同样与额外的浦肯野林等人网络室模拟确诊和RBBB条件(38]。机电模型的电生理学和肌丝由Ca动力学模型耦合^{2 +}瞬态。使用函数包括循环系统,连接到3 d心室力学。图1显示了一个完整系统的示意图,我们在这项研究中使用。

电子元件是一个失败的心室与241725个节点和1298751个四面体网格元素。电力网格具有现实的心脏室的特点,由心内膜,midmyocardial,心外膜细胞后十Tusscher等人人工心室组织模型(39]。线网类型代表浦肯野网络被映射到一个3 d心室心内膜的区域(图2 (c))。

浦肯野网络诱发窦性心律的电激活序列(正常),确诊,RBBB(图2 (c))。更多的CRT踱步网站放置在LV free-wall CRT踱步而RBBB的网站放在RV心内膜的顶点,如图2 (b)。第一次感应电刺激在浦肯野纤维模型的根节点,传播的终端,因此刺激心室组织。浦肯野的电子传播可以通过求解描述一维波传播方程和触发心室激活(40]。

电子传播信号代表了离子交换在肌细胞被十Tusscher et al。39]。单个细胞的电生理现象可以描述如下: 在哪里是细胞内和细胞外的电压差,表示时间,代表跨膜离子电流的总和,代表当前如果外部刺激,和表示单位面积细胞电容。由主要离子电流如下: 在哪里正迅速向内Na⁺目前,是内向整流目前,瞬态向外K⁺目前,是快速延迟整流K⁺目前,缓慢延迟整流K⁺目前,是l型内Ca^{2 +}目前,Na是⁺/ Ca^{2 +}换热器,是娜⁺/ K⁺泵电流,和是肌质高原Ca^{2 +}和K⁺电流,是背景Ca^{2 +}当前,是背景Na⁺电流。

代表电子通过传导在3 d空间传播,心脏组织在这种情况下可以被描述的组合方程(1)与细胞电阻率( )(和表面体积比 )在x,y,z方向,分别。这种现象可以通过下面的偏微分方程来描述:

钙动力学的数学方程耦合机电模拟也被十Tusscher et al。39]: 在哪里代表肌浆网的钙释放(SR)进入细胞。代表了钙泵恢复再次回到SR。代表了calcium-induced钙释放电流,激活的吗 ,这是相同的 。 总钙细胞内,是由哪一个 ,细胞内的钙缓冲区 ,细胞内自由钙。因此,在SR钙的总和,其中包括 ,缓冲钙, ,内部的自由钙SR。

Ca^{2 +}瞬态作为输入细胞肌丝模型代表活动紧张的一代在每个肌细胞的歌唱组和多个代数方程描述^{2 +}结合肌钙蛋白C,调控蛋白之间合作,横桥骑车。心室收缩的结果积极紧张的一代所代表的肌丝动力学模型描述水稻et al。41]。心室心脏力学变形方程所描述的是被动,心肌是orthotropically超弹性的,而且几乎不可压缩材料被动属性定义为一个指数应变能函数。肌丝模型的解方程组的代表被动心脏力学有限元网格构成心脏的收缩。考虑到等长收缩,我们假设肌节长度(SL)在初始值是0,dSL/ dt= 0。测量等张收缩,SL解决使用下列常微分方程(ODE): 图中描述的粘度和质量1在机械室,是规范化的和力量整合向时间: 在哪里作用力和吗是被动的力量。是恒力在最初的肌节长度的休息时间,然后呢是在等渗或等长收缩力。因此,表示如下:

我们计算了ATP消费积分肌丝模型在水稻等人提出的一个周期(每个节点41]。在肌丝模型中,ATP消费率(E)是横桥超然的结果率( )和单一的重叠部分厚丝(SOVF_厚):

构建LVAD-implanted心血管系统的集成模型,我们添加了一个隔间LV之间的使用功能和系统性动脉循环系统基于Kerckhoffs et al。42)如前所述,Lim et al。38]。简单地说,使用组件被建模为一个流发生器与特定的平均流量3 L / min。恒流条件用于模拟连续使用LV顶点的入口和出口在升主动脉。

仿真协议,第一我们模拟电模型与浦肯野提供信号代表窦性心律,确诊或RBBB直到稳定状态。我们设置了60 cm / s和传导速度的基本周期长度600 ms。在这里,我们将支持高频条件(确诊和RBBB)使用CRT-alone或CRT和使用相结合。然后我们使用高斯插值点的瞬态Ca^{2 +}从电气模拟机械仿真的输入。模型的高频条件,我们乘常数的被动扩展加强心肌应变能函数的5倍。20秒的力学模型模拟达到稳定状态。我们比较了ATP消费率和紧张激活在收缩末期容积(ESV)和应变在舒张末期容积(类别)通过集成的信息从每个节点。EMD被定义为机械活化时间之间的时间间隔(垫)和电子激活时间(吃)。垫被当地应变时缩短最大的前10%,而吃被确认时,肌细胞开始去偏光,在我们的案例中是−50 mV (30.]。

3所示。结果与讨论

3.1。电生理仿真结果

图3显示了膜电位传播在正常窦性心律(窦),确诊,确诊+ CRT,确诊+ CRT +使用,RBBB, RBBB + CRT, RBBB + CRT +使用条件。电子波长几乎覆盖整个心室组织在100 ms窦条件,和吃窦条件是120 ms(表1)。吃更多的条件是173 ms,这是最长的在其他情况下。CRT缩短了吃更多条件138 ms,接近于鼻窦条件。RBBB的心,吃的是164 ms。CRT缩短了吃在136 ms RBBB的心脏,这是接近窦条件。

图4显示了钙激活序列。钙激活序列遵循每种情况下的电激活序列。膜电位相比,停用后450毫秒,Ca^{2 +}失活发生在250 ms。CRT系Ca^{2 +}激活整个心室的确诊条件但RBBB无关紧要的条件由于CRT踱来踱去。

3.2。心脏力学仿真结果

图5显示了3 d ATP消耗率、紧张、窦和透壁的压力分布,确诊,确诊+ CRT,确诊+ CRT +使用,RBBB, RBBB + CRT, RBBB + CRT +使用条件。我们选择一个节点在LV free-wall代表比较它们的值。总的来说,更多的ATP消费率和紧张状态值最高,为3.3和3.5倍正常窦性条件,分别。然而,CRT ATP消费率下降和更多的紧张状况低于6%和7%在正常窦性条件。此外,CRT和使用减少了ATP消费率和紧张的确诊条件低于10%和12%在正常窦性条件,分别。ATP消费率和紧张在RBBB条件下分别为8%和9%高于控制条件。CRT ATP消费率和紧张减少了4%和5%,分别。CRT和使用减少了ATP消费率和紧张RBBB的9%和11%条件下,分别。压力在更多情况下是80倍的正常状态(LV free-wall通知大红色区域)。CRT减少更多的压力低于56倍正常窦性条件。 CRT significantly restored the total strain under the LBBB condition with the pacing site at the LV free-wall. However, under LBBB + CRT + LVAD, the total strain was only eight times lower than that in the sinus condition. The continuous LVAD altered the overall strain in the ventricles. The total strain in the RBBB condition was 84 times larger than that in the normal condition. In the RBBB + CRT model, the strain activation was 122 times larger. In the RBBB + CRT + LVAD model, the strain activation was 23 times lower than that in the normal condition.

图6(一)显示了LV压力-容积(PV)循环图窦,确诊,确诊+ CRT,确诊+ CRT +使用,RBBB, RBBB + CRT, RBBB + CRT +使用条件。正常窦性心律的LV PV-loop条件RBBB的相同和RBBB + CRT的条件。三个条件的产品类别是88毫升,ESV 54.5毫升,和EF是38%。更多条件类别最高ESV的90毫升和60毫升,分别。中风卷(SV)和EF 30毫升和33.4%,分别。CRT增加更多条件的EF高达36%。产品类别、ESV和SV确诊+ CRT条件是89毫升,57 mL,分别和32毫升。我们没有量化的EF在模型中使用模型成立,因为PV-loop LV的改变是由于使用的实现。然而,公司提出了比较CRT-alone和CRT和使用的影响。完整的产品类别,ESV,有限公司,英孚,垫和EMD数据表提供了条件1。

图6 (b)显示了LV和系统性动脉压力的黑色和红色线,分别。正常窦性条件,LV峰值压力是148毫米汞柱。LV压力达到峰值358 ms,主动脉瓣开放为96 ms。在更多情况下,LV峰值压力为132.5毫米汞柱。LV峰值压力的时间延长到407 ms,和主动脉瓣开了100 ms。更多+ CRT的LV峰值压力条件增加到141毫米汞柱。LV峰值压力时间缩短为364 ms,和主动脉瓣开了96 ms。在确诊+ CRT +使用条件,LV峰值压力是148毫米汞柱,一样在正常条件下,LV峰值压力的时间是363 ms,和主动脉瓣开了62 ms。CRT和使用恢复了LV峰值压力和LV峰值压力时间仅在确诊条件比CRT。RBBB RBBB + CRT条件,LV峰值压力和LV峰值压力是相同的在148毫米汞柱,353 ms,分别和主动脉瓣开了96 ms,一样的正常状态。 The reason was that the electrical activation of the LV was not altered in the RBBB condition. In the RBBB + CRT + LVAD condition, the peak LV pressure and LV peak pressure time were increased to 155 mmHg and 350 ms, respectively, and the aortic valve was opened for 63 ms. This finding shows that the combined CRT and LVAD increased the LV pressure and systemic artery more than the CRT-only implementation.

图6 (c)显示了整个ATP消费率从一个稳定状态的循环。正常窦性条件,ATP消费率是93年代⁻¹。ATP消费率在更多情况下是最高的在100年代⁻¹。CRT ATP消费率在确诊的情况减少了5%,而CRT和使用ATP消费率减少了15%。RBBB RBBB + CRT条件,ATP消费率是相同的,在正常情况下,93年代⁻¹。CRT和使用支持,然而,随着RBBB条件的ATP消费率下降了16%,至84年代⁻¹。

图6 (d)展示了公司的七个科目。CRT略有增加了公司更多条件但不RBBB的条件。CRT的组合和使用,更多的公司和RBBB条件显著增加(表1)。

图7(一)显示了吃的3 d轮廓、垫和EMD,而图7 (b)显示所有病例的垫子和EMD。如图7(一),激活序列垫和EMD一样吃。垫和EMD值在正常条件下女士157年和78年,分别。在更多情况下,垫和EMD值在188毫秒,79毫秒,最大的分别。CRT缩短了垫子和EMD 148毫秒,71毫秒更多条件。此外,垫和EMD确诊条件进一步缩短与CRT和使用女士144年和67年,分别。这一发现表明,CRT和单独使用执行比CRT尽管吃。RBBB条件,垫和EMD值女士162年和80年,分别。RBBB + CRT条件,意味着垫和EMD值略有减少女士157年和81年,分别。RBBB + CRT +的使用条件下,意思是垫和EMD值减少到155年和79年(接近控制条件),女士。RBBB条件,CRT仅略机电响应的影响。 However, CRT + LVAD increased CO in the RBBB condition significantly as expected.

在一般情况下,我们进行了模拟和分析了七个心脏疾病和治疗条件通过使用一个机电室模型合并循环系统,CRT和使用模型。模型包括正常窦性心律,确诊,确诊+ CRT,确诊+ CRT +使用,RBBB, RBBB + CRT, RBBB + CRT +使用。本研究的主要发现如下:(1)CRT缩短最长吃20.2%确诊RBBB条件和17.1%的条件。CRT缩短EMD 10.1%确诊条件但没有缩短EMD RBBB的条件。(2)CRT和单独使用治疗缩短EMD超过CRT在确诊条件下(15.2%)和缩短EMD RBBB的条件(1.3%)。(3)CRT ATP消耗减少了5%,以及更多的紧张和压力条件。CRT也略微增加了LV峰值压力和6%的增加了公司0.2 L / min更多条件。然而,CRT-alone并不影响这些机械RBBB的反应条件。(4)CRT和使用ATP消耗减少了15%的确诊条件和16% RBBB的条件。也增加了LV压力10.5%确诊条件和5.7% RBBB条件以及公司4 L / min的条件,一定程度上比在控制条件。

的节奏网站组织大大影响同步。放置在LV free-wall显示快激活整个室自信号传播均匀的中途在顶端和基部LV之间的组织。然而,踱步网站在RV心内膜的顶端显示电信号再激活时间传播基地。

RBBB条件,LV的电激活室一样的正常窦尽管RV的电激活变更。这是为什么的机械反应主要因素LV (LV PV-loop, LV的压力,和公司)也一样,在正常窦性心律。甚至RBBB的CRT实现条件并不影响LV的机械反应室。然而,我们观察到显著改善公司RBBB + CRT +使用条件。CRT和使用也减少了ATP消费和增加紧张和RBBB的LV和主动脉压力条件。

CRT-alone没有完全恢复更多条件下的力学响应正常尽管吃的再同步,缩短了垫和EMD恢复正常。相反,使用CRT和使用减少了能源消耗(ATP消费率),张力,增加了LV的压力,和生产公司18%以上的高频与窦性心律的条件。此外,使用不完全帮助血液分布更多或RBBB条件。

计算方法允许我们预测机电现象的失心接受CRT和使用的治疗。它是几乎不可能的观察一些参数包括ATP消费,从病人的紧张、垫、和EMD条件在实验过程的核心。本研究量化了在几个支持高频电激活和血流动力学反应结合CRT-only, CRT和使用,从来没有之前进行的。的临床影响,这项研究的结果可以作为参考一般预测CRT的组合和使用设备的影响高频确诊患者。不过,有一些参数需要考虑深受心脏病专家。

这个计算的研究也有一些局限性,需要解决。这项研究并没有遵循标准的摘要方法(43]。相反,我们只使用一个CRT踱步网站:RV心内膜的顶点(RBBB条件)或LV侧壁(更多条件)。LV踱步网站并不像之前描述的那样放在最佳位置(44]。我们没有观察到或描述RV机械RBBB的反应条件;相反,我们只显示LV的反应。我们使用使用,而不是右心室辅助装置支持RBBB条件。因为我们的限制,我们没有验证我们的模拟结果与实验数据。此外,我们没有描述长期影响心脏功能恢复等结合CRT和使用,如前所述[28,29日]。

4所示。结论

总之,尽管CRT-alone缩短了垫和EMD超过正常的情况更多,更多的机械反应条件没有恢复正常。CRT和合并后的使用缩短了垫子和EMD CRT-alone以上,恢复血流动力学,并产生更大的公司比正常的确诊和RBBB条件。使用复合系统,使用了垫减少机械卸载,缩短EMD, ATP消费,减少和降低紧张,导致心脏的形状和功能的恢复。简而言之,我们计算预测和量化CRT +使用实现优于CRT-only实现特别是高频与更多条件。

数据可用性

方法和结果数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究支持的部分MSIT(科技部、ICT),根据期支持计划(IITP - 2018 - 2014 - 0 - 00639)和全球人才支持计划(IITP - 2017 - 0 - 01811) IITP监督,和联盟基本工程研究项目(2016 r1d1a1b0101440)和爱迪生(NRF - 2011 - 0020576)项目。