房颤血流动力学计算模型的构建与个体化拟合研究

《The Journal of Physiology》：Computational model of haemodynamics during atrial fibrillation

本研究开发了一种新型计算模型，通过整合电生理子系统（模拟AF特征性心房/心室激活时间）与机械子系统（基于TriSeg和MultiPatch方法模拟血流动力学），成功实现了对心房颤动（AF）患者个体化血流动力学的精准模拟。模型利用贝叶斯历史匹配（BHM）进行参数拟合，在17例患者中验证了其匹配血压、心内压力和射血分数测量的能力（75%的绝对误差分别低于10 mmHg和10%），为AF治疗的个体化评估提供了高效计算平台。

　　

引言

心房颤动（Atrial Fibrillation, AF）作为最常见的室上性快速性心律失常，与心输出量降低、症状负担增加及生活质量下降密切相关。预测AF的血流动力学效应极具挑战性，因其涉及多种机制的复杂相互作用。计算模型为模拟血流动力学提供了有力工具，但现有模型难以同时满足在AF期间复现逐搏血流动力学变化和适用于临床数据拟合的需求。本研究旨在开发一个简化的计算模型，该模型能够复现AF特征性的快速且不协调的心房活动和不规则的心室活动，并可拟合临床数据，同时具备足够的计算效率以支持模型拟合和模拟连续心跳序列。

方法

临床数据与信号处理

研究数据来源于SMURF研究的一个子集，纳入了17名接受肺静脉隔离（Pulmonary Vein Isolation, PVI）术的AF患者。收集了正常窦性心律（Normal Sinus Rhythm, NSR）和AF诱导后30分钟的血流动力学测量数据，包括动脉血压（收缩压SBP、舒张压DBP）、心内压力（平均左房压LAP_m、平均右房压RAP_m、右室收缩压RVSP、右室舒张压RVDP）、超声心动图测量的心房容积和射血分数（左房射血分数LAEF、左室射血分数LVEF）以及心率。对于部分患者，还从心电图（ECG）和心内电图（Intracardiac Electrogram, EGM）信号中提取了心房和心室激活时间序列。

简化房颤血流动力学模型

模型由两个核心子系统构成：电生理子系统和机械子系统。

电生理子系统负责生成AF特征性的心房和心室激活时间。心房活动被建模为每个心房壁斑块（共20个）独立生成一系列心房激活时间，其心房间期（AA间期）从Pearson Type IV分布中抽取。房室结（Atrioventricular Node, AV Node）采用包含21个节点的网络模型（含快径路FP和慢径路SP）进行处理，生成不规则的心室激活时间序列。在NSR下，心房和心室活动被简化为同步且规则的模式。

机械子系统基于三壁段（Three-Wall Segment, TriSeg）模型和多斑块（MultiPatch）方法描述心血管力学和血流动力学。心脏腔室（心房、心室）被划分为多个斑块，每个斑块的力学行为由主动应力和被动应力描述。循环系统则用电学等效电路（五元件RCRCR Windkessel模型）模拟。该子系统能够模拟心脏腔室和血管系统中的压力与容积动态变化。

患者特异性模型拟合

采用贝叶斯历史匹配（Bayesian History Matching, BHM）结合高斯过程仿真器（Gaussian Process Emulators, GPEs）来拟合模型参数。拟合的参数包括心脏几何尺寸（如中壁参考面积）、心脏力学参数（如主动应力系数、收缩持续时间）以及循环系统参数（如应激血容量SBV、血管阻力、血管顺应性）。模型拟合的目标是使模拟的血流动力学指标（压力、射血分数、容积）与临床测量值之间的误差最小。此外，还比较了三种不同的AF心房收缩模式对拟合效果的影响：提出的不协调心房收缩模型（S1）、无心房收缩模型（S2）和规则同步心房收缩模型（S3）。

结果

患者特异性模型拟合效果

模型成功拟合了17名患者的临床数据。对于血流动力学指标集合中的压力指标（SBP, DBP, RVSP, RVDP, LAP_m, RAP_m），在NSR和AF下，75%的绝对模拟误差低于8.1 mmHg。对于射血分数指标（LAEF, LVEF），在NSR下，75%的绝对模拟误差低于8.6%。模型总体上低估了NSR下的右室舒张压（RVDP），同时高估了AF下的右室收缩压（RVSP）和平均左房压（LAP_m）。模拟的心房和心室射血分数在NSR和AF下的变化趋势与文献报道一致（例如AF下射血分数降低）。模拟的心腔容积在NSR下与计算机断层扫描血管成像（CCTA）报告的生理范围相符，但其从NSR到AF的预期增加趋势未被完全复现。心输出量（Cardiac Output, CO）在正常生理范围内，从NSR到AF有下降趋势但未达统计学显著性。

不同心房收缩模式的比较

与无心房收缩模型（S2）和规则同步心房收缩模型（S3）相比，提出的不协调心房收缩模型（S1）在匹配压力测量值方面表现最佳，其压力模拟误差最低。虽然S3模型在匹配射血分数方面略优于S1，但其模拟的心房压力波动幅度远大于临床测量值。病例研究（患者P4）显示，S1模型模拟的右房压力波动与临床测量值在形态上更为接近。这表明，将AF心房活动建模为不协调的心房收缩，而非无收缩或规则收缩，能更好地复现个体患者的整体血流动力学。

讨论

模型设计

本研究提出的模型结合了TriSeg模型的计算效率和电生理子系统模拟AF特征性心律的能力，满足了复现逐搏变异和进行患者特异性拟合的需求。模型通过调整收缩持续时间（模拟AF下射血时间缩短）、血管参数（模拟AF下交感神经张力增加导致的血管阻力增加和顺应性降低）以及心房心室激活模式来复现NSR与AF之间的血流动力学差异。采用随机方法生成心房激活时间是在缺乏空间信息的心脏激活图情况下的有效近似。

患者特异性拟合

模型参数通过BHM方法进行个性化拟合，成功复现了大多数血流动力学指标。模型存在的系统性偏差（如对RVDP的低估和对AF下RVSP、LAP_m的高估）提示可能还存在其他未纳入模型的AF相关机制（如血流动力学反射）的影响。模型拟合结果的不确定性范围（通过BHM后验分布展示）反映了在有限且带有噪声的测量数据下，参数辨识存在固有挑战。

局限性与展望

模型的局限性包括：未纳入压力反射等自主神经调节机制；将协调的电活动简化为同步收缩；假设所有心房斑块具有相同的平均激活率；未考虑NSR的内在变异性；未模拟心脏瓣膜反流。未来的工作可致力于整合这些机制，并探索模型在预测AF治疗（如心率控制或节律控制）的血流动力学效果方面的应用价值。

结论

本研究开发了一个计算效率高的血流动力学模型，能够模拟AF期间的逐搏血流动力学变化，并可成功拟合到个体患者的临床数据。该模型为未来研究AF患者特异性血流动力学、以及评估不同心率与节律控制策略的血流动力学后果提供了一个有价值的平台。研究结果表明，在模拟AF时，将心房活动描述为不协调的收缩比描述为无收缩或规则同步收缩更能准确反映临床测量结果。