Modelling and simulation of the cardiovascular system and the Istanbul Heart Ventricular Assist Device

Abstract

Heart transplantation rates are limited due to high donor heart rejection rates and the rising number of heart failure (HF) patients due to a growing and ageing population. Left Ventricular assist Devices (LVADs) are increasingly being implanted as a buttress against advanced-stage heart failure. However, they are associated with a multitude of complications. LVAD design and development is a thorough pro cess involving many steps before they can acquire approval from regulatory bodies, involving virtual testing in-silico, verification of the results in-vitro, validation of performance in animals, i.e., in-vivo, and ultimately clinical trials. As we progress along its different phases, the development process becomes more complex, less controllable, and more costly. Under such circumstances, reliable pre-clinical evaluation becomes imperative. The current work makes use of two pre-clinical models namely numerical modelling and mock circulatory loops. An intuitive and knowledge-based approach to numerical modelling is adopted whereby model components are con nected in a topological manner without explicitly coding model equations. Mathworks' Simscape (TM) modelling environment is used to develop a comprehensive and real-time executable model of the cardiovascular system (CVS) and the Istanbul Heart (iHeart) VAD. The CVS model is developed by combining existing models and the VAD model is an analytically-derived model calibrated using iHeart VAD's characteristic data. A baseline is established by calibrating the CVS model with healthy heart parameters. Parameters for Dilated Cardiomyopathy (DCM), a sub set of Heart Failure with Reduced Ejection Fraction (HFrEF), are collected from published patient data and disease modelling is conducted using statistically pooled values. To simulate iHeart VAD support, it is anatomized to the left ventricle apex and the ascending aorta in Simscape (TM). CVS-VAD modelling is applied for in-silico adaptation of hemodynamic ramp testing, an invasive clinical procedure which can potentially support clinical decision-making before conducting such an invasive procedure by exploring the possibility of improvements preemptively. It is also used to conduct a full factorial design of experiments to study the functional relationships between CVS parameters and LVAD suction speed which can be used to guide the development of suction detection and avoidance control algorithms. CVS-VAD model is also used to develop a numerical-hydraulic hybrid mock circulatory loop to study the behaviour of the iHeart VAD in-vitro. The adopted modelling approach results in a more realistic replication of the physiological environment an LVAD is exposed to. A comprehensive framework for the pre-clinical evaluation of mechani cal circulatory support devices is provided. Due to its object-oriented and modular nature, the featured model can be readily modified for other cardiovascular diseases. In addition to facilitating LVAD research, the presented work provides a teaching tool for understanding the pathophysiology of heart failure, diagnosis rationale, and degree of assist requirements. Utilization of in-silico and in-vitro approaches provide complementary information, allowing device behaviour and performance prediction and enhancing model accuracy.

Kalp nakli oranları, donör kalp reddi oranlarının yüksek olması ve artan ve yaslanan nüfusa bağlı olarak kalp yetmezliği (KY) hastalarının sayısındaki artısı sebebiyle sınırlıdır. Sol Ventrikül Destek Cihazları (SVDC'lar), ileri evre kalp yetmezliğine karşı bir destek olarak giderek daha fazla implante edilmektedir ancak, birçok komplikasyonla ilişkilendirilmişlerdir. SVDC tasarımı ve geliştirmesi, düzenleyici kurumlardan onay almadan ¨önce, in-siliko sanal testler, in-vitro sonuçların doğrulanması, hayvanlarda performansın doğrulanması ve son olarak klinik denemeleri içeren çok adimli kapsamlı bir süreçtir. Farklı aşamalarda ilerledikçe, geliştirme süreci daha karmaşık, daha az kontrol edilebilir ve daha maliyetli hale gelir. Bu tür koşullar altında, güvenilir ön klinik çalışmaları kaçınılmaz hale gelir. Mevcut ¸çalışma, sayısal modelleme ve mock circulatory loops olmak üzere iki ¨on klinik modelden faydalanmaktadır. Sayısal modellemede sezgisel ve bilgiye dayalı bir yaklaşım benimsenir; burada model bileşenleri, model denklemlerini açıkça kodlamadan topolojik bir şekilde bağlanır. Mathworks'ün Simscape modelleme ortamı, kardiyovasküler sistem (CVS) ve ˙İstanbul Kalp (iHeart) VAD'ın kapsamlı ve gerçek zamanlı yürütülebilir bir modelini geliştirmek için kullanılmıştır. CVS modeli, mevcut modellerin birleştirilmesiyle geliştirilirken, VAD modeli, iHeart VAD'ın karakteristik verileri kullanılarak kalibre edilmiş analitik bir modeldir. CVS modelinin sağlıklı kalp parametreleriyle kalibre edilmesiyle bir başlangıç noktası oluşturulur. Genişlemiş Kardiyomiyopati (DCM) için parametreler, Azalmış Ejeksiyon Fraksiyonlu Kalp Yetersizliği (HFrED) alt kümesi için yayınlanmış hasta verilerinden toplanır ve hastalık modellemesi istatistiksel olarak havuzlamış değerler kullanılarak gerçekleştirilir. iHeart VAD desteğini simüle etmek için, Simscape'te sol ventrikül apeksine ve çıkan aorta anatomize edilir. CVS-VAD modellemesi, invazifklinik bir prosedür olan hemodinamik ramp testinin in-siliko adaptasyonu için uygulanır; böyle invazif bir prosedürü gerçekleştirmeden önce klinik karar verme sürecini destekleyebilir ve iyileştirmelerin mümkün olup olmadığını önceden araştırarak potansiyel olarak klinik kararları destekleyebilir. Ayrıca, CVS parametreleri ile SVDC emiş hızı arasındaki işlevsel ilişkileri incelemek için tam faktöriyel deney tasarımı yapmak için kullanılır. Emiş tespiti ve avoidance control algorithmin geliştirilmesine rehberlik etmek için kullanılabilir. CVS-VAD modeli ayrıca, iHeart VAD'ın in-vitro davranışını incelemek için numerical-hydraulic hybrid mock circulatory loop geliştirmek için de kullanılır. Benimsenen modelleme yaklaşımı, bir SVDC'nın maruz kaldığı fizyolojik ortamın daha gerçekçi bir şekilde ¸çoğaltılmasına yol açar. Mekanik dolaşım desteği cihazlarının ¨on klinik değerlendirmesi için kapsamlı bir çerçeve sunulmaktadır. Nesne yönelimli ve modüler yapısı nedeniyle öne çıkan model, kolayca diğer kardiyovasküler hastalıklar için de değiştirilebilir. SVDC araştırmalarını kolaylaştırmanın yanı sıra, sunulan¸ çalışma kalp yetmezliği patofizyolojisini anlama, tanı kriterleri ve yardım gereksinimleri derecesini anlama konusunda bir ¨öğretim aracı sağlar. In-siliko ve in-vitro yaklaşımların kullanılması, cihaz davranışı ve performans öngörüsü sağlar ve model doğruluğunu artırarak tamamlayıcı bilgiler sunar.