Design of a cardiovascular simulation circuit driven by time varying elastance

Abstract

Kronik kalp yetmezliğinin tek bilinen kalıcı çözümü kalp naklidir. Donör azlığı nedeniyle sadece küçük bir grup insan tedavi edilebilmektedir. Sol Ventrikül Destek Pompaları (SVDP) kalp nakil listelerinde sıra bekleyenleri yaşatmak için sıklıkla kullanılırlar. SVDP ventrikülün apeks noktasıyla çıkan aort arasına takılırlar ve kalbin yükünü paylaşırlar. SVDP klinik kullanımlarından önce laboratuvar ortamında, çoğunlukla Yapay Kardiyovasküler Devreler (YKVD) ile, güvenlik ve etkinlik testlerine derinlemesine tabi tutulabilirler. YKVD tasarımının ilk adımı matematiksel modelleme ile etkinlik, kararlılık ve sınırlamaların belirlenmesidir. Bu tezde, kardiyovasküler sistemin, sol ve sağ kalp ile sistemik, pulmoner ve koroner dolaşımları içeren, sıfır boyutlu kümelenmiş bir modeli kurulmuştur. Hali hazırda yayımlanmış deneysel veriler kullanılarak ve kalp kasının biyomekanik özelliklerinden faydalanılarak yeni bir zamana bağlı elastans üretim metodu geliştirilmiştir. Bu sayede, myokardiyal sarkomerin özgün bir oksotonik uzunluk-gerilim-hız bağıntısı elde edilmiştir. Aktif durumu dahil etmek için gerilimler basınca çevrilerek lojik bir aktivasyon sinyali ile kontrol edilmiştir. Sonuçta elde edilen durum değişkenlerinin zamana bağlı değerleri, yüke bağımlı ve bağımsız performans parametreleri literatürle uyumlu çıkmıştır. Sistem çeşitli fizyolojik koşullar (normal/hasta ve dinlenme/egzersiz) altında bozucu girdilere ve parametre değişimlerine karşı kararlılık ve gürbüzlük göstermiştir. Netice olarak model, SVDP performansının test edilebileceği bir platform teşkil etmektedir.

Chronic Heart Failure (CHF) is a major cause of death for which only known non-palliative treatment is Heart Transplantation (HTx). Due to donor shortage, only a small cohort of people can be treated. Left Ventricular Assist Devices (LVADs) are widely used to sustain patients on the HTx waiting lists. LVADs are pumps that are implanted between the ventricular apex and ascending aorta, unloading the left ventricle. Before clinical use, LVADs must be thoroughly tested in-vitro, commonly with Cardiovascular Mock Circuits (CVMCs), for safety and efficacy. The first step to design a CVMC is mathematical modeling, and validation of its efficacy, stability, robustness and limitations. In this thesis, a zero-dimensional lumped model of the cardiovascular system, consisting of left and right hearts, and systemic, pulmonary and coronary circulations, was established. A novel time-varying elastance generation method, originating from biomechanical characteristics of the myocardium, was created based on previously published experimental data, and a unique auxotonic length-tension-velocity relationship for the myocardial sarcomere was derived. Tension values were converted into ventricular pressures, and controlled with a binary activation signal to introduce myocardial active state. The resulting time course of state variables, load-dependent and -independent performance indexes were observed to be in accordance with the literature. The system showed stability and robustness against external disturbances and parameter variations under various physiological conditions (normal/disease and rest/exercise). In conclusion, the model constituted a very promising simulation platform to test LVAD performance.