基于心脏超声的左心室流-固耦合仿真力学模型及其在起搏器方案优化中的应用

Cardiac pacing is the only effective treatment for bradycardia arrhythmia. Right ventricular apex (RVA) has been the conventional location for pacemaker lead placement. However RVA pacing is associated with abnormal myocardial contractile pattern, hemodynamic disorder, and histologic remodeling. So the optimal right ventricular pacing site choosing becomes the important object of pacing electrophysiology. Investigators have sought alternative locations such as RVOT, RVIT, His bundle to achieve more physiologic electrical activation of the heart. Each alternative location has advantages and disadvantages, and individual responders to pacemaker are different. As a special type of pacemaker, cardiac resynchronization therapy (CRT) has been developed as an established treatment option for patients with heart failure. However 20-30% patients fail to benefit from CRT. And response to cardiac resynchronization therapy (CRT) is still difficult to predict. Recent advances in computational modeling, methods and computer technology have made it possible for computer-simulated procedures to be used in clinical decision-making for diseased hearts. This project will integrate in echocardiography images and data, and computational models with fluid-structure interactions for myocardial function and intracardiac flow assessment. The models will be used to evaluate and optimize pacemaker implantation procedure.

起搏器植入是缓慢性心律失常唯一有效治疗手段。起搏电极常规植入部位为右室心尖部，使心脏电、机械起源及分布模式与正常窦性心律时相反，导致血流动力学异常及组织重构。不同位点起搏成为起搏电生理领域研究重点。但包括右室流出/入道、His束等不同位点起搏各有利弊，且个体差异等因素可影响心脏对起搏器植入反应。心脏再同步化治疗（CRT）作为一种特殊类型起搏器，已广泛用于心力衰竭非药物治疗，但有20-30%患者对CRT无反应。基于上述现状，结合计算模型研究在心脏模型构建中的应用，及本课题组采用流固耦合模型进行心脏手术效果预测的前期研究，我们提出将心脏超声与计算模型结合，建立个体化起搏器植入术后左室流-固耦合仿真力学模型，用于预测不同位点起搏左心室心肌力学及心腔流场状态，为起搏器植入方案选择提供依据。该项目研究以“流固耦合”特性作为结合点，将临床起搏治疗学、影像医学与生物医学工程学相结合，进行多学科合作研究。

背景：起搏器电极常规植入部位为右室心尖部，可导致血流动力学异常及组织重构。近年提出生理性起搏概念，研究重点是不同位点起搏，但个体差异可导致机体对不同起搏模式反应不同。本项目建立基于超声图像的个体化左心室流-固耦合仿真力学模型，预测不同位点起搏下左心室心肌力学及心腔流场状态，为心脏起搏器植入方案选择提供依据。.主要研究内容：1.探索不同位点起搏动物模型构建，采集不同位点起搏模式下的心肌机械运动、心腔流场图像及参数，并进行心电标测、获取心腔压力曲线；2.构建基于超声图像的左心室流-固耦合仿真力学模型；3.使用不同模式起搏动物模型的数据对计算模型进行验证、训练。.重要结果：1.采用开胸经心外膜起搏方法制作不同位点起搏动物模型，经心外膜采集不同位点起搏模式下左心室超声图像、电标测图像及参数，以及左心室腔压力曲线；2.通过左心室在体超声和压力数据，建立基于超声图像的仿真计算力学模型，估计在体材料性质。结合逻辑回归方法建立预测模型，提取实验动物心脏形态学、力学、生物信息学参数进行敏感性和特异性分析。建立不同起搏位点干预下的左心室流固耦合模型，分析不同起搏干预与心肌材料函数的关系，确定对应于特定起搏模式的心肌分析材料函数，从而建立材料硬度和电信号传导之间的对应关系。3.仿真力学模型结果表明在后室间隔进行起搏植入可能成为较好的起搏器植入方案。该结果和动物实验测量的结果吻合。基本完成不同模式起搏动物模型的数据对计算模型的验证、训练。.关键数据：根据超声图像测量的左心室容积、电标测获取的电传导参数及心腔压力是关键原始数据，可据此量化计算材料硬度和心室电信号之的映射。通过材料软硬度来模拟心肌的电势传导，以确定对应于特定起搏模式的心肌材料参数值是本项目研究获取的关键数据。.科学意义：将心脏影像资料与数值模拟仿真技术结合，建立个体化心室流固耦合模型，用于预测不同起搏模式所致的心脏功能改变，开展多学科交叉性合作研究。