一种用于含浦肯野网络心脏电机械模拟的多阶光滑粒子流体动力学方法

在先前工作中，Zhang 等人（2021）开发了一种集成光滑粒子流体动力学（SPH）方法来模拟心脏功能的各个方面，包括电生理学、心肌的被动与主动力学响应。由于电生理学中浦肯野网络（Purkinje network）的引入被公认为对准确描述左右心室的电激活至关重要，本文中我们提出一种多阶 SPH 方法，采用单域/单域耦合策略处理通过浦肯野系统及心肌的电传播。我们首先提出一种高效算法，利用水平集几何表示和元胞链表邻域搜索算法在任意复杂表面上生成网络。然后，开发一种降阶 SPH 方法求解一维单域方程，以表征通过浦肯野网络的快速电激活。最后，引入多阶耦合范式以捕捉由网络与心肌相互作用产生的电位传播耦合特性。通过一组数值算例评估所提方法的计算性能、精度和通用性。特别地，在真实左心室中进行的数值研究证明，本方法具备表征心跳模拟的所有生理学问题，包括浦肯野网络中的信号发起以及收缩期和舒张期。正如预期，结果凸显了使用生理真实的浦肯野网络建模心脏功能的重要性。