Fractional Order Models of Arterial Windkessel as an Alternative in the Analysis of the Left Ventricular Afterload
在本文中，一个新的分数阶推广的经典Windkessel动脉模型来描述主动脉输入阻抗作为左心室后负荷的评估。所提出的模型嵌入分数阶电容来描述总动脉顺应性。在本文中，我们报告了我们的分数阶微积分工具的调查，并证明分数阶阻抗可以用来确定血管特性和研究其动态效应。提出了两种分数阶集总参数模型：分数阶二元件Windkessel模型和分数阶三元件Windkessel模型。我们使用3325名虚拟受试者的计算机模拟升主动脉血压〈动〉<动>和血流数据库将这些模型与经典的Windkessel模型进行了比较。结果表明，所提出的分数阶模型克服了标准动脉Windkessel模型的局限性，很好地捕捉了主动脉输入阻抗模量的真实动态。我们还证明了所提出的模型可以监测各种动脉生理状态下主动脉输入阻抗的变化。因此，我们的模型提供了一个新的工具，“血流动力学逆问题”的解决，并提供了一个新的，创新的方式来更好地了解粘弹性效应，在动脉运动的阻力行为。
2019-08-01 physics.med-ph q-bio.TO
Towards Modeling the Hemodynamic Impact of Mitral and Aortic Valve Repair in Patients with Left Ventricular Assist Devices
University of Michigan（密歇根大学）；Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)（联邦材料研究与测试研究所）；The Alan Turing Institute（艾伦·图灵研究所）；Mayo Clinic（梅奥诊所）
本研究利用患者特异性计算模型模拟LVAD患者二尖瓣和主动脉瓣修复，发现修复可改善心输出量、减轻肺淤血并降低血栓风险。
2026-09-24 physics.comp-ph physics.med-ph
Dynamic vortical flow profile quantitatively characterizes mitral valvular-left ventricular hemodynamic coupling: In vivo analysis by dynamic 3D enstrophy mapping from 4D Flow MRI
人体左心室（LV）流入中的涡旋血流始于二尖瓣（MV），并在舒张期E充盈期间在LV内演变。因此，涡流连接MV和LV血液动力学。本研究旨在阐明和定量表征E-充盈时LV涡流的体内3D动力学，以及使用4D Flow MRI流场与MV-LV血流动力学耦合的关系。34名健康志愿者和5例患者接受了4D Flow MRI。使用拟能密度在LV中绘制了E波上的涡旋血流演变。导出了一个新的无量纲PMV-LV剖面，它是MV涡形成时间（VFT）和LV体积拟能密度的函数。结果表明，在健康的左心室三维涡流的演变遵循一个双相的行为与涡流的增长阶段，然后由涡流衰减阶段。在研究的健康LV中，PMV-LV曲线显示涡旋增长和衰减阶段的特征为涡旋增长时间T_growth = 1.23 +/-0.25，增长率α = 0.80 +/-0.17，衰减时间T_decay = 0.96 +/-0.39，衰减率\b{eta} =-1.02 +/-0.49。在研究的飞行员患者中发现了明显改变的参数。导出的PMV-LV曲线定量表征MV-LV血流动力学耦合的涡流动力学。本文的结果揭示了对心脏生理学的新见解，并可以实现一种新的标准化方法来研究MV-LV血流动力学耦合以及与健康和疾病中的心脏功能的关联。
2018-10-11 physics.bio-ph physics.flu-dyn physics.med-ph
Stochastic Modelling and Dynamic Analysis of Cardiovascular System with Rotary Left Ventricular Assist Devices
左心室辅助装置（LVAD）已被用作终末期心力衰竭患者的治疗选择。主动脉瓣在心力衰竭及其LVAD治疗中起着关键作用。心血管-LVAD模型常用于研究患者的生理需求和预测LVAD支持的自体心脏的血流动力学。作为恢复治疗的桥梁，重要的是保持主动脉瓣和天然心脏的心输出量的适当和主动的动力学，这要求必须调节LVAD泵，使得通过主动脉瓣和泵贡献的血液之间保持适当的平衡。在本文中，我们的目标是确定一个临界值的泵功率，以确保LVAD泵不接管心血管泵系统中的泵送功能，并与左心室共享喷出的血液，以帮助心脏恢复。此外，由于患者的异质性和心血管系统的随机性，血流动力学经常涉及变异性。这种变异性对理解主动脉瓣和心输出量的动态行为提出了重大挑战。在这项工作中使用的广义多项式混沌（gPC）扩展开发一个随机心血管泵模型有效的不确定性传播，从它可以快速计算的方差在主动脉瓣打开持续时间和心输出量的存在下的变异性。仿真结果表明，基于gPC的心血管泵模型是一个可靠的平台，可以提供有用的信息，了解LVAD泵对心脏血流动力学的影响。
2018-12-18 physics.med-ph q-bio.TO
A Wavelet Approach for the Estimation of Left Ventricular Early Filling Wave Propagation Velocity from Color-M-Mode Echocardiograms
目的：本工作评估了一种新的方法，用于计算左心室（LV）早期充盈传播速度（VP）的彩色M型（CMM）超声心动图，利用小波分析。与当前的方法不同，该方法不需要假设，用户输入或启发式约定。背景资料：目前使用CMM超声心动图测量VP的方法没有考虑到充盈波传播速度的时空变化。相反，它们受到经验假设和用户输入的限制，这些假设和用户输入显著阻碍了VP的准确性，从而限制了其临床实用性。研究方法：我们评价了测量LV早期充盈VP的三种方法：常规VP、传播强度（VS）和从最重要能量波（峰值-VW）确定的VP，使用125名患者（A组），其中正常充盈（n=50）、松弛受损（n=25）、异常充盈（n=25）和限制性充盈（n=25），B组69例，正常心室32例，扩张心室15例，肥厚心室22例。结果：峰值VW最能准确区分正常左室和病变左室。具体而言，对于跨越舒张功能阶段的A组，使用受试者工作特征（ROC）并测量其相应的曲线下面积（AUC），峰值VW的AUC为0.92，而传统VP为0.62，VS为0.63，心室内压差（IVPD）为0.58。这相当于分类能力提高了50-70%。使用B组也发现了类似的改善。结论：使用小波分析的LV早期充盈的新测定，Peak-VW，可以提供比测定Vp的标准方法更准确的舒张功能评价，并且能够对患有舒张功能障碍的患者进行更好的诊断分类。
2019-10-25 physics.med-ph q-bio.QM
LV-CARE-Diff: A Conditional Anatomy-Aware Diffusion Model for Left Ventricular Shape Reconstruction and Function Quantification from Ultra-Sparse Cine Slices
Beijing Institute of Technology（北京理工大学）；Tsinghua University（清华大学）
本研究提出LV-CARE-Diff模型，采用由粗到精策略，从超稀疏CMR电影切片重建左心室形状，保留96%功能量化准确率，减少73%成像时间，缩短检查时长且不牺牲定量精度。
2026-08-19 physics.med-ph
IMC-PINN-FE: A Physics-Informed Neural Network for Patient-Specific Left Ventricular Finite Element Modeling with Image Motion Consistency and Biomechanical Parameter Estimation
Department of Bioengineering, Imperial College London（帝国理工学院生物工程系）
提出IMC-PINN-FE框架，结合图像运动一致性与物理信息神经网络进行患者特定左心室有限元建模，实现秒级心肌参数估计与75倍加速，显著提升运动匹配精度。
2025-06-25 cs.AI eess.IV physics.med-ph
Quantification of Trabeculae Inside the Heart from MRI Using Fractal Analysis
University of Burgundy（勃艮第大学）
左心室致密化不全（LVNC）是一种罕见的心肌病（CMP），由于其潜在的并发症包括心力衰竭、室性心律失常和栓塞事件，因此应被视为可能的诊断。为了分析心脏功能，从左心室（LV）提取信息已经是医学成像的广泛领域。已经开发了半自动或自动的不同算法和策略，以从心脏的这种关键结构中获得有用的信息。心脏内的小梁经历了从实心到海绵状的不同变化。由于该过程失败，发生了左心室致密化不全。在这个项目中，我们将展示心脏的磁共振成像（MRI）的分形维数（FD）和手动分割，量化心脏内的小梁数量。心脏内部的分形维数值越大，表明心脏中小梁的图案越复杂。
2018-10-14 cs.CV physics.med-ph q-bio.QM
Towards a Computational Framework for Modeling the Impact of Aortic Coarctations upon Left Ventricular Load
左心室和主动脉血流的计算流体动力学（CFD）模型是分析心肌变形和血流模式之间的机械联系的重要工具。通常，基于图像的运动学CFD模型的使用在诸如预测对改变LV后负荷条件的干预的急性反应的应用中占主导地位。然而，这些模型在分析对LV负荷或已知涉及驱动重塑过程的关键生物标志物的任何影响的能力方面受到限制，因为LV功能在机械意义上没有考虑。本研究通过报告一种新型的机电流体（EMF）模型所取得的进展来解决这些限制，该模型代表了基于第一原理的LV机电（EM）的整个物理学。LV EM的生物病理学详细有限元（FE）模型与基于FE的CFD求解器耦合，用于使用任意欧拉-拉格朗日（ALE）公式的移动域。基于治疗前条件下的临床数据，构建了两例主动脉缩窄（CoA）患者的临床病例并进行了参数化。对于1例患者病例，通过虚拟支架植入术对CoA进行几何修复后的治疗后条件下的模拟与治疗前结果进行了比较。通过分析LV血池的显著大变形下的网格质量和求解器性能，证明了该方法的数值稳定性。此外，通过执行高达1536个计算核心的强缩放基准，研究了计算易处理性和与临床时间尺度的兼容性。用于构建、拟合和执行EMF模拟的整个工作流程的总体成本与基于图像的运动学模型的报告成本相当，这表明EMF模型显示出发展成为可行的临床研究工具的潜力。
2019-01-15 physics.app-ph physics.bio-ph physics.flu-dyn
Abaqus/Standard-based quantification of human cardiac mechanical properties
计算建模可以为心力衰竭的现有和潜在的新外科手术、医疗或微创治疗提供关键的见解，心力衰竭是世界上主要的死亡原因之一，已达到流行病的程度。在本文中，我们提出了我们的Abaqus/基于标准的管道来创建特定于受试者的左心室模型。我们首先回顾我们的通用左心室模型，然后基于磁共振图像的个性化过程。通过将Abaqus/Standard耦合到Python优化库NL-Opt来识别特定于受试者的心脏材料属性。与我们小组以前的研究相比，这里的重点是模型的全隐式求解和被动心脏材料属性的双参数优化。
2016-02-19 physics.med-ph
Simulation of left ventricle fluid dynamics with mitral regurgitation from magnetic resonance images with fictitious elastic structure regularization
EPFL（洛桑联邦理工学院）；IBM Research（IBM研究院）；Politecnico di Milano（米兰理工大学）
本文提出基于图像驱动的左心室流体动力学建模方法，利用磁共振图像获取心室几何形状和变形，结合虚构弹性结构模拟心肌收缩行为，并采用三种不同二尖瓣模型控制腔内流体动力学，以研究二尖瓣反流现象。
2017-07-13 cs.NA math.NA physics.med-ph
Impaired coronary blood flow at higher heart rates during atrial fibrillation: investigation via multiscale modelling
背景已经提出了不同的机制，将心房颤动（AF）和冠状动脉血流障碍，即使在没有相关的冠状动脉疾病（CAD）。然而，潜在的血流动力学仍不清楚。本工作的目的是通过计算探讨房颤期间心室率是否以及在多大程度上影响冠状动脉灌注。方法.通过0 D-1D多尺度验证模型在不同心室率（50、70、90、110、130 bpm）下模拟AF，该模型将左心动脉树与冠状动脉循环结合在一起。精确构建的RR随机提取模拟\emph{in vivo}跳动特征。计算的所有血流动力学参数均基于左前降支（LAD）动脉，并考虑了冠状动脉血流的波形、振幅和灌注。结果冠状动脉血流动力学的改变被发现与心率增加相关，这强烈地改变了LAD流速的波形和振幅，并且与心跳到心跳的变异性相关。后者在冠状动脉循环中随着HR的增长而整体放大，即使输入RR变异性在所有HR处保持恒定。结论.房颤时较高的心室率会造成整体冠状动脉血流受损和心肌氧供需比失衡。心率的增加和AF引起的血流动力学变异性的增加导致AF中冠状动脉灌注损伤超过90-110 bpm。此外，发现冠状动脉灌注压（CPP）不再是HR高于90 bpm的心肌灌注的良好测量。
2019-04-16 physics.med-ph q-bio.TO
A novel unsupervised machine learning strategy to handle multimodal cardiac PET/MRI data
Nantes Université, CHU Nantes（南特大学，南特大学医院中心）；Siemens Healthineers France（西门子医疗法国公司）
研究针对致心律失常性左心室心肌病诊断难题，利用PET/MRI数据，采用两步聚类等方法，对患者图像进行处理分析，生成健康报告，经交叉验证和在更大队列上验证，能准确识别异常，有助于表征心肌异质性。
2026-07-16 cs.CV cs.LG physics.med-ph
Computational analysis of flow structures in turbulent ventricular blood flow associated with mitral valve intervention
心脏疾病和临床干预都可能导致血栓形成事件的风险增加，这是由于心脏中的血流改变，从而改变了通过心脏腔室的血细胞的机械刺激。具体而言，血小板活化的程度受血流中机械应力的水平和类型的影响。在这里，我们通过从患者特定数据构建的计算模型来分析心脏左心室中的血流。通过纳维-斯托克斯方程对心室中的血流进行建模，并且通过表示瓣膜的投影开口的参数化模型对通过二尖瓣的血流进行建模。采用有限元方法求解该方程，并由此模拟血液流动的速度和压力。速度梯度张量的三重分解，然后用于区分刚体旋转流，无旋应变流，剪切流。三重分解能够分离三种根本不同的流动结构，每种结构都会对流动中的血细胞产生不同类型的机械刺激。我们将结果与模拟结果进行比较，其中模拟了二尖瓣夹干预，这导致心室流量的显着修改。结果发现，与未处理的情况相比，在模拟的情况下，与夹子处理的剪切增加比旋转和应变没有。在其中一种情况下，瓣膜开口面积减少64%导致旋转和应变增加90%，但剪切增加150%。计算分析表明，在心脏中的临床干预的患者特定的模拟过程与所产生的血流的详细分析，这可以支持临床风险评估方面的血小板活化和血栓形成事件。
2021-11-11 physics.flu-dyn physics.med-ph
Physical model of end-diastolic and end-systolic pressure-volume relationships of a heart
针对现有心脏EDPVR与ESPVR研究缺乏统一物理解释模型的问题，提出统一框架下参数具物理意义的评估模型，拟合效果优于现有模型，可预测左心室压力-容积关系，助力心脏研究与临床应用。
2023-03-28 physics.bio-ph physics.med-ph
Material transport in the left ventricle with aortic valve regurgitation
本实验在体外工作调查材料运输性能在模型左心室的情况下，主动脉瓣返流，瓣膜疾病的特点是泄漏的主动脉瓣，因此双射流填充内的弹性左心室几何形状。这项研究表明，物质运输现象强烈地决定于由主动脉瓣和二尖瓣射流驱动的反向旋转旋涡的运动。中度主动脉瓣返流的总体颗粒停留时间似乎明显更长，这归因于两股射流开始之间的时间产生的动力学。反流严重程度的增加被证明是与较高的频率在时间-频率频谱的速度信号在不同的点在流动中，这表明非层流混合过去中度反流。此外，大部分抗凝剂流入至少保留一个心动周期。这种颗粒停留时间的增加伴随着许多吸引拉格朗日相干结构的发生和持续，为活化血小板在左心室内聚集提供了有利的条件和位置，可能对主动脉瓣返流患者造成额外的风险因素。
2018-12-10 physics.flu-dyn physics.med-ph
A coupled mitral valve -- left ventricle model with fluid-structure interaction
了解瓣膜和心脏壁之间的相互作用对于评估和随后治疗心脏功能障碍非常重要。随着心脏成像、非线性力学和计算技术的进步，现在可以使用解剖学和生理学上真实的模型来探索瓣膜-心脏相互作用的力学。本研究提出了一个集成模型的二尖瓣（MV）耦合到左心室（LV），几何形状来自在体临床磁共振图像。使用这种耦合MV-LV模型的数值模拟开发使用浸没边界/有限元法。该模型结合了详细的瓣膜特征、左心室收缩、非线性软组织力学以及MV和LV壁之间的流体介导的相互作用。我们利用该模型模拟了心脏从舒张期到收缩期的功能，并研究了心肌主动舒张功能对左心室泵功能的影响。新模型的结果与在体测量结果一致，并表明舒张期充盈压显着增加与受损的心肌主动舒张，以维持正常的心输出量。耦合模型有可能推进MV-LV相互作用机制的基础知识，并有助于心脏病的风险分层和治疗优化。
2017-03-29 cs.CE physics.med-ph
Elucidating the cellular determinants of the end-systolic pressure-volume relationship of the heart via computational modelling
本研究通过多尺度计算模型揭示，心脏收缩末期压力-容积关系并非固定曲线，而受收缩机械历史影响，射血的正负效应平衡决定其形态，并具有临床转化意义。
2024-11-09 cs.NA math.NA physics.med-ph
Mathematical modeling applied to the left ventricle of heart
背景：数学如何帮助我们理解心脏运动的机制？最著名的方法是采用纤维结构的数学模型，将其插入或多或少复杂的心脏结构模型中，然后研究通过心肌传播的激活纤维。在我们的论文中，我们试图创建一个新的软件，能够显示左心室（LV）模型在正常心脏。方法：对70例健康志愿者进行超声心动图检查。评价的数据包括：所有16个LV心肌节段的速度（径向、纵向、旋转和矢量点）、位移（纵向和旋转）、应变率（纵向和周向）和应变（径向、纵向和周向）。使用这些数据，心肌样本的力矢量估计MATLAB软件，在超声心动图系统接口。每个单独的心肌纤维的动态定向收缩（通过心动周期）可以通过将该纤维的多个碎片扇区的顺序步骤加在一起来创建。这样，我们试图机械地说明全局LV模型。测试结果：我们的研究表明，在正常情况下，心肌纤维起源于心脏的后基底区，继续通过LV游离壁，到达间隔，环周围的顶点，上升，并在LV的上前缘结束。结论：利用MATLAB软件，我们能够从数学上定义正常人的整个左室心肌模型。这将使医生能够诊断和跟进许多心脏疾病时，该软件是在超声心动图机接口。
2014-06-24 physics.med-ph q-bio.TO
