人間の心肺血行動態相互作用を研究するためのオブジェクト指向の計算モデル

背景と目的：この作業は、人間の心肺相互作用を研究するためのオブジェクト指向の計算モデルを導入します。 方法：モデリングは、オブジェクト指向のプログラミング言語MATLAB SIMSCAPEで実行され、モデルコンポーネントは物理的な接続を通じて互いに接続されています。モデル要素の構成的および現象学的方程式は、非線形圧力容積または圧力フロー関係に基づいて実装されます。このモデルには、心血管系または呼吸器系に属する30を超える生理学的コンパートメントが含まれています。このモデルは、静脈、肺毛細血管、折りたたみ可能な気道、肺胞、および胸壁の非線形挙動を考慮します。モデルパラメーターは、文献値に基づいて違います。モデルの検証は、シミュレーション結果を文献で報告されている臨床データおよび動物データを比較することにより実行されました。 結果：このモデルは、自発的呼吸と機械的換気中の心臓、胸膜、間質、大動脈および心室の圧力、および心臓と肺の体積の定量的値を提供することができます。ベースラインシミュレーションの結果は、割り当てられたパラメーターの一貫性を示しています。PEEP試験による機械的換気中のシミュレーション結果は、文献に記載されている動物および臨床データと直接比較できます。 結論：オブジェクト指向のプログラミング言語を使用して、モデルの非線形性を含む相互接続システムをモデル化できます。このモデルは、自発的な呼吸と機械的換気中の心肺活動を調査するための有用なツールを提供します。

BACKGROUND AND OBJECTIVE: This work introduces an object-oriented computational model to study cardiopulmonary interactions in humans. METHODS: Modeling was performed in object-oriented programing language Matlab Simscape, where model components are connected with each other through physical connections. Constitutive and phenomenological equations of model elements are implemented based on their non-linear pressure-volume or pressure-flow relationship. The model includes more than 30 physiological compartments, which belong either to the cardiovascular or respiratory system. The model considers non-linear behaviors of veins, pulmonary capillaries, collapsible airways, alveoli, and the chest wall. Model parameters were derisved based on literature values. Model validation was performed by comparing simulation results with clinical and animal data reported in literature. RESULTS: The model is able to provide quantitative values of alveolar, pleural, interstitial, aortic and ventricular pressures, as well as heart and lung volumes during spontaneous breathing and mechanical ventilation. Results of baseline simulation demonstrate the consistency of the assigned parameters. Simulation results during mechanical ventilation with PEEP trials can be directly compared with animal and clinical data given in literature. CONCLUSIONS: Object-oriented programming languages can be used to model interconnected systems including model non-linearities. The model provides a useful tool to investigate cardiopulmonary activity during spontaneous breathing and mechanical ventilation.