Závislost čerpací funkce srdce na tlakových a tokových poměrech v arteriálním stromě

Abstract

V rámci této práce byl sestaven lumped parameter model kardiovaskulární soustavy - Cardio. Integruje v sobě některé dosavadní modely a zahrnuje mechaniku sarkomer, interakci srdečních komor, dynamiku chlopní i systemický, pulmonární a koronární oběh. Systemické artérie byly implementovány v několika verzích - od jednouchého windkessel modelu až po komplexní strom se 128 arteriálními úseky. Tento strom je v práci odvozen podle fyziologických rozměrů a struktury uvedených v literatuře. V modelu je možné simulovat chronickou adaptaci geometrie srdce a cév. Dále je podporována implantace IABP a napojení na zařízení ECMO, které bylo k tomuto účelu ve zjednodušené verzi namodelováno.

Byly provedeny simulace fyziologického stavu i několika patologií. Výsledky vypadají věrohodně a zřetelně demonstrují některé známé jevy včetně Frank-Starlingova zákona. Vše nasvědčuje vhodnosti dalšího využití modelu ve výzkumu, nejprve by však měly být výsledky kvantitativně zhodnoceny lékařským expertem.

Dále byly zkoumány vlivy nastavení srdečních podpor. IABP je nejvíce efektivní při synchronizaci inflační fáze s dicrotickým zářezem a deflace těsně před nástupem systoly. ECMO se ukázalo vhodnější při zapojení do vzestupné aorty v pulzatilním módu.

Pro vývoj byl použit jazyk Modelica za vytvoření kompatibility s knihovnou Physiolibrary.

In this thesis, an integrative lumped parameter model of human cardiovascular system - Cardio - is presented. Adopting multiple partial models, it encompasses sarcomere mechanics, ventricular interaction, valve dynamics, systemic and pulmonary circuits, and coronary circulation. Systemic arteries have been implemented in several versions, ranging from simple windkessel models up to an arterial tree with 128 segments. This complex tree has been derived based on physiological dimensions and structure listed in literature. Chronic adaptation of heart and vessel geometry can be simulated. Further, implantation of IABP and connecting to ECMO circuit is supported. For this purpose, a simplified version of the ECMO device has been designed.

Several simulations have been performed for both physiological and pathological scenarios. The results seem to be plausible, capturing well-known phenomena including the Frank-Starling law. This indicates further applicability of the model in research, although first, quantitative validation by a medical expert is desired.

Effects of cardiac supports have been studied with respect to their settings. For IABP, the best results are obtained with inflation set to the dicrotic notch and deflation set right before the onset of systole. For ECMO, connection into ascending aorta in a pulsatile mode is superior, supposing proper timing.

The model has been developed in the Modelica language and provides compatibility with the Physiolibrary framework.