We propose an integrated electromechanical model of the human heart, with focus on the left ventricle, wherein biophysically detailed models describe the different physical phenomena concurring to the cardiac function. We model the subcellular generation of active force by means of an Artificial Neural Network, which is trained by a suitable Machine Learning algorithm from a collection of pre-computed numerical simulations of a biophysically detailed, yet computational demanding, high-fidelity model. To provide physiologically meaningful results, we couple the 3D electromechanical model with a closed-loop 0D (lumped parameters) model describing the blood circulation in the whole cardiovascular network. We prove that the 3D-0D coupling of the two models is compliant with the principle of energy conservation, which is achieved in virtue of energy-consistent boundary conditions that account for the interaction among cardiac chambers within the computational domain, pericardium and surrounding tissue. We thus derive an overall balance of mechanical energy for the 3D-0D model. This provides a quantitative insight into the energy utilization, dissipation and transfer among the different compartments of the cardiovascular network and during different stages of the heartbeat. In virtue of this new model and the energy balance, we propose a new validation tool of heart energy usage against relationships used in the daily clinical practice. Finally, we provide a mathematical formulation of an inverse problem aimed at recovering the reference configuration of one or multiple cardiac chambers, starting from the stressed configuration acquired from medical imaging. This is fundamental to correctly initialize electromechanical simulations. Numerical methods and simulations of the 3D-0D model will be detailed in Part II.


翻译:我们提出人类心脏综合电动机械模型,重点是左心室,其中生物物理详细模型描述与心脏功能相适应的不同物理现象。我们通过人工神经网络,模拟通过人工神经网络产生的亚细胞主动力生成。这个网络由适当的机器学习算法培训,该算法来自一套生物物理详细但计算要求要求高、高纤维性模型的预先计算数字模拟。为了提供生理上有意义的结果,我们将3D电子机械模型与一个描述整个心血管网络血液循环的闭路点 0D(下限参数)模型相配。我们证明,两种模型的3D-0D组合符合节能原则,这是在计算领域、心肌和周围组织内各心室之间相互作用的能源兼容性参数。因此,我们从3D-0D模型模型的机械能源利用、消散分解和转移模型的模型模型模型中,可以对描述整个心血管网络血液循环的血液循环循环进行量化,在不断恢复的模型中可以提供新的能量结构,在不断恢复的心脏结构中,在新阶段里,我们用一个新的心血管结构中,在不断的心脏结构中提供新的能量结构。

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