In numerical simulations of cardiac mechanics, coupling the heart to a model of the circulatory system is essential for capturing physiological cardiac behavior. A popular and efficient technique is to use an electrical circuit analogy, known as a lumped parameter network or zero-dimensional (0D) fluid model, to represent blood flow throughout the cardiovascular system. Due to the strong physical interaction between the heart and the blood circulation, developing accurate and efficient numerical coupling methods remains an active area of research. In this work, we present a modular framework for implicitly coupling three-dimensional (3D) finite element simulations of cardiac mechanics to 0D models of blood circulation. The framework is modular in that the circulation model can be modified independently of the 3D finite element solver, and vice versa. The numerical scheme builds upon a previous work that combines 3D blood flow models with 0D circulation models (3D fluid - 0D fluid). Here, we extend it to couple 3D cardiac tissue mechanics models with 0D circulation models (3D structure - 0D fluid), showing that both mathematical problems can be solved within a unified coupling scheme. The effectiveness, temporal convergence, and computational cost of the algorithm are assessed through multiple examples relevant to the cardiovascular modeling community. Importantly, in an idealized left ventricle example, we show that the coupled model yields physiological pressure-volume loops and naturally recapitulates the isovolumic contraction and relaxation phases of the cardiac cycle without any additional numerical techniques. Furthermore, we provide a new derivation of the scheme inspired by the Approximate Newton Method of Chan (1985), explaining how the proposed numerical scheme combines the stability of monolithic approaches with the modularity and flexibility of partitioned approaches.


翻译:在心脏力学的数值模拟中,将心脏与循环系统模型耦合对于捕捉生理学心脏行为至关重要。一种流行且高效的技术是采用电路类比方法,即集总参数网络或零维(0D)流体模型,来表征心血管系统中的血流。由于心脏与血液循环之间存在强烈的物理相互作用,开发精确且高效的数值耦合方法仍是活跃的研究领域。本文提出一种模块化框架,用于将心脏力学的三维(3D)有限元模拟与血液循环的0D模型进行隐式耦合。该框架的模块化特性体现在:循环模型可独立于3D有限元求解器进行修改,反之亦然。数值方案基于先前将3D血流模型与0D循环模型耦合的工作(3D流体-0D流体)进行构建。我们将其扩展至耦合3D心脏组织力学模型与0D循环模型(3D结构-0D流体),证明两类数学问题可在统一耦合框架下求解。通过多个心血管建模领域的实例,评估了算法的有效性、时间收敛性及计算成本。重要的是,在理想化左心室示例中,该耦合模型可生成生理性压力-容积环,并在无需额外数值技术的情况下自然重现心动周期的等容收缩期和等容舒张期。此外,我们受Chan(1985)近似牛顿法启发,对该方案进行新推导,阐明当前数值方案如何融合整体法的稳定性与分区法的模块化及灵活性。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
10+阅读 · 2022年3月18日
A Survey on Data Augmentation for Text Classification
VIP会员
最新内容
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:33
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
5+阅读 · 今天6:43
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:38
《美空军条令出版物 4-0,维持》
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:32
《基于仿真的空军任务规划优化》
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:21
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员