Investigation of cardiac and cardio-therapeutical phenomena using a pulsatile circulatory model / Untersuchung kardiologischer und kardiotherapeutischer Phänomene anhand eines pulsatilen Herz/Kreislauf-Modells

Abstract

For many years computer models of the cardiovascular system have existed with which the complex physiological interrelations of regulation processes may be studied. However, one major disadvantage of these models is the simplified modeling of the heart kinematics whereby the short term regulation effects of the heart itself on varying physical strains may only be simulated rudimentarily. The developed pulsatile model emphasizes the detailed description of the systolic wall tension progression subject to the Hill/Frank-Starling mechanisms and the simulation of the cardiac valves. Moreover, to be able to describe long term effects the pulsatile model was coupled to the established cardio vascular model of Guyton. Using the coupled system the influences of impaired valve function and ventricular relaxation disorders on the cardiac output as well as the need for an implementation of a physical strain dependent av-delay in existing pacemakertypes were investigated. Both the dynamics and the steadystate values of a subset of variables (pressure, volume, flow) were successfully validated by comparing them to published experimental and clinical recordings.

Seit mehreren Jahren existieren Computermodelle des Herzkreislaufsystems, mit denen die komplexen physiologischen Zusammenhänge der Kreislaufregulation untersucht werden können. Ein Nachteil dieser Modelle ist jedoch die stark vereinfachte Modellierung der Herzkinematik, wodurch der Einfluss kurzfristiger Regelmechanismen des Herzens auf variierende körperliche Belastungen nur ansatzweise simuliert werden kann. In dem entwickelten pulsatilen Modell wurde neben einer detaillierten Beschreibung der systolischen Wandspannungsentwicklung in Abhängigkeit des Hill- und Frank-Starling-Mechanismus ein Schwerpunkt auf die Nachbildung der Herzklappen gelegt. Um auch langfristige Regelmechanismen beschreiben zu können, wurde das pulsatile Modell anschließend mit dem etablierten Kreislaufmodell von Guyton gekoppelt. Dadurch konnten die Auswirkungen einer Herzklappenfehlfunktion und einer ventrikulären Relaxationsstörung auf die Auswurfleistung des Herzens, als auch die Notwendigkeit der Implementierung einer belastungsabhängigen AVÜberleitungszeit in bestehende Herzschrittmachersysteme untersucht werden. Sowohl die Dynamik als auch die stationären Werte ausgewählter Variablen (Druck, Volumen, Fluss) wurden mithilfe veröffentlichter Messdaten erfolgreich validiert.