Development and Validation of a Hemodynamic Model for Varying Exercise Intensity

Abstract

En diskret parametermodell som representerer den systemiske kretsen av det kardiovaskulære systemet og dens umiddelbare respons til trening er under utvikling som en del av NTNU prosjektet «My Medical Digital Twin» (MyMDT). MyMDT vil skape et digitalt klinisk verktøy for å radikalt forbedre det som for tiden er usikre og ineffektive prosedyrer innen blodtrykksbehandling. MyMDT sin hemodynamiske modell integrerer en tidsvarierende elastans som representerer hjertefunksjon i et lukket kretsløp som består av et arterielt og et venøst segment. Modellens personaliserte inngangsparametere blir estimert ved hjelp av en numerisk optimaliseringsprosedyre basert på arteriell data for blodtrykk og strømning i hviletilstand. Treningstilstand implementeres som pulsavhengige parameterforskyvninger. Denne masteravhandlingen gjennomfører en omfattende evaluering av den nåværende MyMDT-modellen mot kardiovaskulær data hentet fra en klinisk treningsstudie. Seks deltakere blir brukt for å undersøke flere mulige oppsett av prosedyrene for parameterestimering og treningssimulering for å oppnå prediksjoner av slagvolum, systolisk og diastolisk blodtrykk under trening som er i overenstemmelse med data, uten å øke modellens kompleksitet. Det avdekkes at det gjennom flere inngangsparametere er mulig å oppnå korrekte simuleringer av det arterielle systemet i hviletilstand. Treningstilstand er generelt utsatt for større usikkerhet i både data og modelleringsprinsipper. Prediksjoner av slagvolum, systolisk og diastolisk blodtrykk som samtidig oppfyller kliniske nøyaktighetskriterier oppnås ikke. Sammen med en kort modellvalidering utført på fem nye deltakere, indikerer resultatene at det er nødvendig med større strukturelle tiltak utover å tilpasse prosedyrene for parameterestimering og treningssimulering. Innledende piloteksperimenter belyser flere problemer relatert til fysiologisk lite troverdige modellrepresentasjoner av ventrikkel- og venesystemet. Ytterligere forskning, fortrinnsvis inkludert kvalitetssikret data for alle studiedeltakerne, er uunnværlig for at modellen skal oppnå sin kliniske målsetning.

A lumped parameter model representing the systemic circuit of the cardiovascular system and its acute response to exercise is under development as a part of the NTNU project “My Medical Digital Twin” (MyMDT). MyMDT aims to create a digital clinical tool to radically improve the currently uncertain and inefficient procedures of treating hypertension. The MyMDT hemodynamic model integrates a time-varying elastance representing cardiac function into a closed-loop circulation consisting of an arterial and a venous compartment. Personalized model baseline parameters are estimated by a numerical optimization procedure that bases on arterial data for blood pressure and flow during rest. Exercise state is implemented as heart rate-based parameter shifts. This master’s thesis performs an extensive evaluation of the current MyMDT model against cardiovascular data collected in a clinical exercise trial. Six participants are used to examine multiple configurations of the procedures for estimating baseline parameters and simulating exercise state to obtain predictions of stroke volume, systolic and diastolic blood pressures that are consistent with data, without increasing the model complexity. It is found that accurate simulations of the arterial system during rest are obtainable through multiple baseline configurations. Exercise state is in general prone to more uncertainty regarding both data and modelling principles. Predictions of stroke volume, systolic and diastolic blood pressures that simultaneously fulfill clinical criteria of accuracy are not achieved. Together with a brief model validation performed on five new participants, the results indicate a necessity of greater structural interventions beyond adjusting the current procedures for parameter estimation and exercise simulation. Preliminary pilot experiments highlight several issues related to physiologically implausible model representations of the ventricular and venous system. More research, preferably including quality assured data for all trial participants, is indispensable for the model to reach its clinical ambition.