Interaction of elastomechanics and fluid dynamics in the human heart : Opportunities and challenges of light coupling strategies

Das menschliche Herz ist das hochkomplexe Herzstück des kardiovaskulären Systems, das permanent, zuverlässig und autonom den Blutfluss im Körper aufrechterhält. In Computermodellen wird die Funktionalität des Herzens nachgebildet, um Simulationsstudien durchzuführen, die tiefere Einblicke in die zugrundeliegenden Phänomene ermöglichen oder die Möglichkeit bieten, relevante Parameter unter vollständig kontrollierten Bedingungen zu variieren. Angesichts der Tatsache, dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen die häufigste Todesursache in den Ländern der westlichen Hemisphäre sind, ist ein Beitrag zur frühzeit- igen Diagnose derselben von großer klinischer Bedeutung. In diesem Zusammenhang können computergestützte Strömungssimulationen wertvolle Einblicke in die Blutflussdynamik liefern und bieten somit die Möglichkeit, einen zentralen Bereich der Physik dieses multiphysikalischen Organs zu untersuchen. Da die Verformung der Endokardoberfläche den Blutfluss antreibt, müssen die Effekte der Elastomechanik als Randbedingungen für solche Strömungssimulationen berücksichtigt werden. Um im klinischen Kontext relevant zu sein, muss jedoch ein Mittelweg zwischen dem Rechenaufwand und der erforderlichen Genauigkeit gefunden werden, und die Modelle müssen sowohl robust als auch zuverlässig sein. Daher werden in dieser Arbeit die Möglichkeiten und Herausforderungen leichter und daher weniger komplexer Kopplungsstrategien mit Schwerpunkt auf drei Schlüsselaspekten bewertet: Erstens wird ein auf dem Immersed Boundary-Ansatz basierender Fluiddynamik-Löser implementiert, da diese Methode mit einer sehr robusten Darstellung von bewegten Netzen besticht. Die grundlegende Funktionalität wurde für verschiedene vereinfachte Geometrien verifiziert und zeigte eine hohe Übereinstimmung mit der jeweiligen analytischen Lösung. Vergleicht man die 3D-Simulation einer realistischen Geometrie des linken Teils des Herzens mit einem körperangepassten Netzbeschreibung, so wurden grundlegende globale Größen korrekt reproduziert. Allerdings zeigten Variationen der Randbedingungen einen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse. Die Anwendung des Lösers zur Simulation des Einflusses von Pathologien auf die Blutströmungsmuster ergab Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit Literaturwerten. Bei Simulationen der Mitralklappeninsuffizienz wurde der rückströmende Anteil mit Hilfe einer Partikelverfolgungsmethode visualisiert. Bei hypertropher Kardiomyopathie wurden die Strömungsmuster im linken Ventrikel mit Hilfe eines passiven Skalartransports bewertet, um die lokale Konzentration des ursprünglichen Blutvolumens zu visualisieren. Da in den vorgenannten Studien nur ein unidirektionaler Informationsfluss vom elas- tomechanischen Modell zum Strömungslöser berücksichtigt wurde, wird die Rückwirkung des räumlich aufgelösten Druckfeldes aus den Strömungssimulationen auf die Elastomechanik quantifiziert. Es wird ein sequenzieller Kopplungsansatz eingeführt, um fluiddynamische Einflüsse in einer Schlag-für-Schlag-Kopplungsstruktur zu berücksichtigen. Die geringen Abweichungen im mechanischen Solver von 2 mm verschwanden bereits nach einer Iteration, was darauf schließen lässt, dass die Rückwirkungen der Fluiddynamik im gesunden Herzen begrenzt ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass insbesondere bei Strömungsdynamiksimula- tionen die Randbedingungen mit Vorsicht gewählt werden müssen, da sie aufgrund ihres großen Einflusses die Anfälligkeit der Modelle erhöhen. Nichtsdestotrotz zeigten verein- fachte Kopplungsstrategien vielversprechende Ergebnisse bei der Reproduktion globaler fluiddynamischer Größen, während die Abhängigkeit zwischen den Lösern reduziert und Rechenaufwand eingespart wird

Oscillatory wall strain reduction precedes arterial intimal hyperplasia in a murine model

Cardiovascular diseases (CVD) remain the most common cause of death in the United States. Additionally, peripheral artery disease affects thousands of people each year. A major underlying cause of these diseases is the occlusion of the coronary or peripheral arteries due to arteriosclerosis. To overcome this, a number of vascular interventions have been developed including angioplasty, stenting, endarterectomies and bypass grafts. Although all of these methods are capable of restoring blood flow to the distal organ after occlusion, they are all plagued by unacceptably high restenosis rates. While the biological reactions that occur as a result of each of these methods differ, the initiating factor of both the primary atherosclerosis and subsequent failure of vascular interventions appears to be intimal hyperplasia (IH). Intimal hyperplasia is most simply defined as the expansion of multiple layers of cells internally to the internal elastic lamina of the blood vessel. This excessive cellular growth leads to arterial stenosis, plaque formation and inflammatory reactions. Despite extensive research the underlying factors that cause IH remain unclear. A quantity of research to date has implicated endothelial cell mechanosensation as the mechanism by which IH is initiated with evidence positively correlating wall shear stress with IH. Others, however, have demonstrated that changes in the stresses applied to the wall in vitro can modulate IH independent of hemodynamic shear stress. Thus, relations between wall tensile stress and IH in vivo may shed light on the underlying mechanisms of IH. Since noninvasive measurement of wall tensile stress in vivo is difficult, it is most feasible to measure oscillatory wall strain which is intimately related to wall tensile stress through the mechanical properties of the arterial wall. In this dissertation, we hypothesize that reductions in oscillatory wall strain precede the formation of intimal hyperplasia in a murine model. To test our hypothesis, we first developed a novel, high spatial and temporal resolution method to measure oscillatory wall strains in the murine common carotid artery. We validated this method both in vitro using an arterial phantom and in vivo using a murine model of abdominal aortic aneurysms. To assess relationships between strain and IH, we applied our strain measurement technique to a recently developed mouse model of IH. In this model, a suture is used to create a focal stenosis and reduce flow through the common carotid artery by 85%; resulting in proximal IH formation. Using this approach, we identified a relationship between oscillatory strain reductions and IH. Subsequent analysis demonstrated that early reductions in mechanical strain just 4 days after focal stenosis creation correlate with IH formation nearly 1 month later. Since IH is not expected to form by day 4 in this model, we went on to assess changes in gross vascular morphology at day 4. We discovered that, although strains are significantly reduced by day 4, no significant IH can be observed, suggesting that changes in wall structure are resulting in strain reductions. At day 4 post-op, we observed cellular proliferation and leukocyte recruitment to the wall without intimal hyperplasia. These studies suggest that early reductions in mechanical strain may be an important predictor of IH formation. Clinically, this relation could be important for the development of novel techniques for predicting IH formation before it becomes hemodynamically significant

Transapikalinės mitralinio vožtuvo korekcijos skaitinis modeliavimas

This dissertation presents the numerical modeling approach for the simulation of transapical mitral valve (MV) repair procedure. The main object of the research is the development of the finite element (FE) model of the MV with ruptured chordae tendineae and its application for modeling of MV repair with neochordae implantation through the transapical approach. The dissertation aims to develop and implement a numerical model of the MV for quantitative evaluation of transapical MV repair surgical procedure and its effect on post-operative MV function. The work presents five tasks. Firstly, studies describing computational models used for investigation of MV biomechanical functions and evaluation of novel MV repair surgical techniques are reviewed. Next, the modeling strategy for the numerical simulation of virtual transapical MV repair procedure is developed. Patient-specific echocardiographic image data are obtained for the reconstruction of MV geometry and creation of structural FE model with MV prolapse. Virtual repair using different neochordal lengths is performed and the systolic function of the MV model is simulated. Finally, the outcomes of virtual transapical MV repair are evaluated and the eligibility of numerical modeling strategy is considered. The present thesis consists of an introduction, three main chapters, general conclusions, references, a list of publications by the author on the topic of the dissertation and a summary in Lithuanian. The introduction presents the research problem, the relevance of the thesis, the object of the research, formulates the aim and the tasks of the work, describes the research methodology and scientific novelty, considers the practical significance of the results and the defensive statements. Chapter 1 discusses the problem of MV prolapse from both medical and mechanical point of view. In the medical part, the anatomy and physiology of the human heart are described and thorough analysis of the MV structure is presented. In the mechanical part, an overview of studies describing computational MV models is provided and the models analyzing different MV repair techniques are distinguished. Chapter 2 introduces the modeling strategy applied for virtual transapical MV repair and its mathematical formulation. Chapter 3 presents the systolic function simulations of virtual repair procedures using two sets of patient-specific data and evaluates the parameters calculated during these simulations before and after virtual repair. The results of this dissertation were published in 4 scientific papers: two articles in journals with impact factor indexed in Clarivate Analytics Web of Science database, one article in a journal indexed in other international databases and one paper in international conference proceedings. These results were presented at 7 international conferences.Dissertatio