We propose a mathematical and numerical model for the simulation of the heart function that couples cardiac electrophysiology, active and passive mechanics and hemodynamics, and includes reduced models for cardiac valves and the circulatory system. Our model accounts for the major feedback effects among the different processes that characterize the heart function, including electro-mechanical and mechano-electrical feedback as well as force-strain and force-velocity relationships. Moreover, it provides a three-dimensional representation of both the cardiac muscle and the hemodynamics, coupled in a fluid-structure interaction (FSI) model. By leveraging the multiphysics nature of the problem, we discretize it in time with a segregated electrophysiology-force generation-FSI approach, allowing for efficiency and flexibility in the numerical solution. We employ a monolithic approach for the numerical discretization of the FSI problem. We use finite elements for the spatial discretization of those partial differential equations that contribute to the model. We carry out a numerical simulation on a realistic human left heart model, obtaining results that are qualitatively and quantitatively in agreement with physiological ranges and medical images.


翻译:我们提出了一个模拟心脏功能的数学和数字模型,该模型由心电生理、主动和被动机械学和热动力学组成,并包括心脏阀门和循环系统减少模型。我们的模型说明了心脏功能特征不同过程的主要反馈效应,包括电机和机械电反馈以及力压和力速关系。此外,它提供了心脏肌肉和热动力学的三维代表,并结合了流体结构互动模型。通过利用问题多物理性质,我们及时与分离,采用分离的电物理-力生成-流体-流体-流体-流体-流体-流体-流体-流体-流体-流体-流体-流体-系统方法。我们采用了一个单一的方法,对FSI问题进行数字分解处理。我们用有限的元素对有助于模型的局部差异方程式进行空间分解。我们对现实的人体左心模型进行数字模拟,取得与生理范围和医学图像一致的定性和定量结果。

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