Е.Н. Рубцова1, А.А. Пуговкин2, А.В. Коротеев3, Д.В. Телышев4

1,4 Институт биомедицинских систем, Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Москва, Россия)
1–4 ФГАОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России» (Москва, Россия)
1 rubtsova_e_n@staff.sechenov.ru, 2 pugovkin_a_a@staff.sechenov.ru, 3 koroteev_a_v@staff.sechenov.ru,
4 telyshev_d_v@staff.sechenov.ru

Постановка проблемы. Одножелудочковая коррекция кровообращения проводится у педиатрических пациентов с одним функциональным желудочком, а также при отсутствии межжелудочковой перегородки или сердечного клапана. В ходе операции единственный желудочек становится системным, а полые вены соединяются с легочными артериями. Пациенты с единственным желудочком могут вести полноценный образ жизни, но в конечном итоге нуждаются в пересадке сердца. Пациентам с одножелудочковым кровообращением альтернативой пересадки сердца может служить механическая поддержка кровообращения, реализуемая методами частичной или полной поддержки. Персонализированное моделирование биотехнической системы механической поддержки одножелудочкового кровообращения на сегодняшний день актуально, поскольку позволяет спрогнозировать текущее состояние системы, определить целесообразность поддержки, оценить ее эффективность, а также найти оптимальное состояние.

Цель. Разработать алгоритм персонализированного прогнозирования и оценки эффективности механической поддержки одножелудочкового кровообращения с возможностью определения оптимального состояния и соответствующего значения управляющего параметра БТС.

Результаты. Представлена математическая модель одножелудочкового кровообращения с возможностью подключения аппарата вспомогательного кровообращения. Разработан алгоритм персонализированного прогнозирования и оценки эффективности механической поддержки одножелудочкового кровообращения. Показано, что на первом этапе алгоритм автоматически подбирает параметры модели одножелудочкового кровообращения на основе гемодинамических параметров пациента; на втором этапе для персонализированной биотехнической системы механической поддержки одножелудочкового кровообращения проводится моделирование, определяются допустимость выбранной стратегии управления и оптимальные состояния. Представлены распределения гемодинамических параметров биотехнических систем для трех пациентов, определены оптимальные состояния систем и соответствующие им значения управляющего параметра для выбранных методов механической поддержки кровообращения.

Практическая значимость. Проведение персонализированного моделирования и оценка эффективности механической поддержки одножелудочкового кровообращения позволяет прогнозировать состояние биотехнической системы и принимать решение о целесообразности применения поддержки, оценить ее эффективность, а также оптимизировать значение управляющего параметра и состояние биотехнической системы до проведения имплантации насоса крови. Впервые представлена реализация алгоритма и его верификация с использованием литературных данных.

Рубцова Е.Н., Пуговкин А.А., Коротеев А.В., Телышев Д.В. Оценка эффективности стратегий механической поддержки одножелудочкового кровообращения // Динамика сложных систем. 2024. Т. 18. № 1. С. 41−50. DOI: 10.18127/j19997493-202401-04

1. Lacour-Gayet F.G., Lanning C.J., Stoica S., Wang R., Rech B.A., Goldberg S., Shandas R. An Artificial Right Ventricle for Failing Fontan: In Vitro and Computational Study. The Annals of Thoracic Surgery. 2009. V. 88. № 1. P. 170–176.
2. Petukhov D.S., Telyshev D.V. A Mathematical Model of the Cardiovascular System of Pediatric Patients with Congenital Heart Defect. Biomedical Engineering. 2016. V. 50. № 4. P. 229–232.
3. Granegger M., Schweiger M., Daners M.S., Meboldt M., Hübler M. Cavopulmonary mechanical circulatory support in Fontan patients and the need for physiologic control: A computational study with a closed-loop exercise model. The International Journal of Artificial Organs. 2018. V. 41. № 5. P. 261–268.
4. Farahmand M., Kavarana M.N, Kung E.O. Risks and Benefits of Using a Commercially Available Ventricular Assist Device for Failing Fontan Cavopulmonary Support: A Modeling Investigation. IEEE Trans Biomed Eng. 2020. V. 67. № 1. P. 213–219.
5. Pekkan K., Frakes D., De Zelicourt D., Lucas C.W., Parks W.J., Yoganathan A.P. Coupling Pediatric Ventricle Assist Devices to the Fontan Circulation: Simulations with a Lumped-Parameter Model. ASAIO Journal. 2005. V. 51. № 5. P. 618–628.
6. Rodefeld M.D., Frankel S.H., Giridharan G.A. Cavopulmonary assist: (Em) powering the univentricular Fontan circulation. Pediatric Cardiac Surgery Annual. 2011. V. 14. P. 45–54.
7. Kung E., Pennati G., Migliavacca F., Hsia T.-Y., Figliola R., Marsden A., Giardini A. A Simulation Protocol for Exercise Physiology in Fontan Patients Using a Closed Loop Lumped-Parameter Model. J. Biomech Eng. 2014. V.136. № 8. P. 0810071–08100714.
8. Киселев И.Н., Семисалов Б.В., Бибердорф Э.А., Шарипов Р.Н., Блохин А.М., Колпаков Ф.А. Модульное моделирование сердечно-сосудистой системы человека // Математическая биология и биоинформатика. 2012. Т. 7. № 2. С. 703–736.
9. Capoccia M. Development and Characterization of the Arterial Windkessel and Its Role During Left Ventricular Assist Device Assistance. Artificial Organs. 2015. V. 39. № 8. P. 138–153.
10. Segers P., Rietzschel E.R., De Buyzere M.L., Stergiopulos N., Westerhof N., Van Bortel L.M., Gillebert T., Verdonck P.R. Three- and four-element Windkessel models: assessment of their fitting performance in a large cohort of healthy middle-aged individuals. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 2008. V. 222. № 4 P. 417–428.
11. Shi Y., Lawford P., Hose R. Review of Zero-D and 1-D Models of Blood Flow in the Cardiovascular System. BioMedical Engineering OnLine. 2011. V. 33. № 10. P. 1–38.
12. Kokalari I., Karaja T., Guerrisi M. Review on lumped parameter method for modeling the blood flow in systemic arteries. Biomedical Science and Engineering. 2013. V. 6. № 1. P. 92–99.
13. Faragallah G., Simaan M.A. An Engineering Analysis of the Aortic Valve Dynamics in Patients with Rotary Left Ventricular Assist Devices. Journal of Healthcare Engineering. 2013. V. 4. № 3. P. 307–327.
14. Suga H., Sagawa K. Instantaneous pressure-Vume relationships and their ratio in the excised, supported canine left ventricle. Cirtulation Rararth. 1974. V. 35. № 1. P. 117–126.
15. Pugovkin A.A., Markov A.G., Selishchev S.V., Korn L., Walter M., Leonhardt S., Bockeria L.A., Bockeria O.L., Telyshev D.V. Advances in Hemodynamic Analysis in Cardiovascular Diseases Investigation of Energetic Characteristics of Adult and Pediatric Sputnik Left Ventricular Assist Devices during Mock Circulation Support. Cardiol Res Pract. 2019. Article ID 4593174. P. 1–15.
16. Telyshev D., Denisov M., Pugovkin A., Selishchev S., Nesterenko I. The Progress in the Novel Pediatric Rotary Blood Pump Sputnik Development. Artificial Organs. 2018. V. 42. № 4. P. 1–12.
17. Ohuchi H., Miyazaki A., Negishi J., Hayama Y., Nakai M., Nishimura K. et al. Hemodynamic determinants of mortality after Fontan operation. Am Heart J. 2017. V. 189. P. 9–18.
18. Di Molfetta A., Ferrari G., Filippelli S., Fresiello L., Iacobelli R., Gagliardi M.G., Amodeo A. Use of Ventricular Assist Device in Univentricular Physiology: The Role of Lumped Parameter Models. Artificial Organs. 2016. V. 40. № 5. P. 444–453.
19. Barber G., Di Sessa T., Child J.S., Perloff J.K., Laks H., George B.L. et al. Hemodynamic responses to isolated increments in heart rate by atrial pacing after a Fontan procedure. Am Heart J. 1988. V. 115. № 4. P. 837–841.
20. Hsu P.L., Wang D., Ballard-Croft C., Xiao D., Zwischenberger J.B. A numerical simulation comparing a cavopulmonary assist device and VA ECMO for failing Fontan support. ASAIO J. 2017. V. 63. P. 604–612.
21. Voors A.W., Foster T.A., Frerichs R.R., Webber L.S., Berenson G.S. Studies of blood pressures in children, ages 5–14 years, in a total biracial community. The Bogalusa Heart Study. Circulation. 1976. V. 54. № 2. P. 319–327.
22. Cheng C.P., Herfkens R.J., Taylor C.A., Feinstein J.A. Proximal pulmonary artery blood flow characteristics in healthy subjects measured in an upright posture using MRI: the effects of exercise and age. J. Magn. Res Imag. 2005. V. 21. P. 752–758.
23. Cattermole G.N., Leung P.Y.M., Mak P.S.K., Chan S.S.W., Graham C.A., Rainer T.H. The normal ranges of cardiovascular parameters in children measured using the ultrasonic cardiac output monitor. Crit. Care Med. 2010. V. 38. № 9. P. 1875–1881.
24. Levy P.T., Patel M.D., Groh G., Choudhry S., Murphy J., Holland M.R. et al. Pulmonary arterial acceleration time provides a reliable estimate of invasive pulmonary hemodynamics in children. J. Am. Soc. Echocardiogr. 2016. V. 29. № 11. P. 1056–1065.
25. Cattermole G.N., Leung P.Y.M., Ho G.Y.L., Lau P.W.S., Chan C.P.Y., Chan S.S.W. et al. The normal ranges of cardiovascular parameters measured using the ultrasonic cardiac output monitor. Physiol Rep. 2017. V. 5. № 6. P. e13195.
26. Hjortdal V.E., Christensen T.D., Larsen S.H., Emmertsen K., Pedersen E.M. Caval blood flow during supine exercise in normal and Fontan patients. Ann Thorac Surg. 2008. V. 85. P. 599–603.
27. Porfiryev A., Markov A., Galyastov A., Denisov M., Burdukova O., Gerasimenko A.Yu., Telyshev D. Fontan Hemodynamics Investigation via Modeling and Experimental Characterization of Idealized Pediatric Total Cavopulmonary Connection. Appl. Sci. 2020. V. 10. Art. num. 6910. P. 1–17.