A lumped parameters model of the human cardiocirculatory system for the study of blood shifting during exercise

When a person breaths the variations in trunk volume do not correspond to the ones of the body due to a volume of blood that can be displaced between trunk and extremities and vice-versa: the blood shift. Blood shift, for the current state of the art, is experimentally measured with Double body plethysmography as the difference between total body volume variations and trunk volume changes. This approach subdivides the body in only two compartments: trunk and extremities and renders impossible to address the blood shift distribution and to describe its movements between body districts that are not trunk and extremities. A possible solution to overcome the above limits is the use of mathematical modelization. In this work a lumped parameters model of the human cardiocirculatory system was built and optimized through an experimental dataset which includes resting and exercise data for spontaneous, abdominal, ribcage, and expiratory flow limitation breathing. The mathematical model was constructed merging and improving different models from literature. The main experimental inputs of the model are the gastric and esophageal pressures, utilized as the force acting on the external walls of blood vessels in the human body; other experimentally registered variables, such as the stroke volume, were employed as well in the construction of the model. The model is able to produce: stable outputs for long time span that cover an entire experimental registration, physiologically coherent values and waveforms for heart, aortic and pulmonary arterial pressures and for blood flows through every section of left and right heart. The model gives a good representation of the transition from rest to exercise: specifically an increase of heart pressures, blood flow peaks and consequently stroke volume. Furthermore the simulated blood shift is in good agreement with the experimental one, especially for expiratory flow limitation conditions and considering blood shift swings, i.e. the time-varying amplitude of the blood shift wave. Most importantly, the model is able to capture the diversity between various breathing modalities, in terms of blood shift outputs and blood distribution between different body compartments. The present model allows to quantify the distribution of blood shift between different body districts thus highlighting the role that each body compartment in this phenomena.

Durante la respirazione, le variazioni di volume del tronco non sempre coincidono con quelle del corpo a causa di un possibile spostamento di sangue tra tronco ed estremità e viceversa: il blood shift. Allo stato dell'arte, il blood shift è misurato sperimentalmente attraverso la doppia pletismografia corporea come differenza tra la variazione del volume totale del corpo e quella del volume del tronco. Questo approccio che suddivide il corpo in solo due parti, tronco ed estremità, non permette di indagare la distribuzione del blood shift e descriverne gli spostamenti tra distretti corporei che non siano tronco o estremità. Una possibile soluzione ai problemi menzionati è l'uso della modellazione matematica. In questo lavoro un modello a parametri concentrati del sistema cardiocircolatorio dell'uomo è stato costruito e ottimizzato attraverso dei dati sperimentali che includono rilevazioni a riposo e durante l'esercizio per respirazione spontanea, addominale, toracica e con limitazione del flusso espiratorio. Il modello matematico è stato costruito combinando e migliorando diversi modelli presenti in letteratura. I principali input sperimentali del modello sono le pressioni gastrica ed esofagea, utilizzate come forze agenti sulle pareti esterne dei vasi sanguigni del corpo umano; anche altre variabili sperimentali come la gittata sistolica sono state utilizzate per le simulazioni del modello. Il modello è in grado di fornire: output stabili per lunghi intervalli temporali, valori e forme d'onda fisiologicamente coerenti per le pressioni di cuore, aorta e arteria polmonare e per i flussi di sangue attraverso le valvole cardiache. Il modello mostra una buona rappresentazione della transizione da riposo a esercizio: si osserva cioè un innalzamento nelle pressioni cardiache, nei flussi sanguigni e di conseguenza nella gittata del cuore. Inoltre, il blood shift simulato è in buon accordo con quello sperimentale, specialmente per la condizione di limitazione al flusso espiratorio e per quanto riguarda l'ampiezza dell'onda cioè la distanza picco-valle del blood shift. Il modello è in grado di catturare la diversità tra varie modalità di respirazione in termini di blood shift simulato e distribuzione di sangue tra diversi distretti corporei. Questo modello permette di quantificare la distribuzione di sangue tra diverse parti corporee e quindi evidenziare il ruolo che ciascun distretto ha in questo fenomeno.