Modeling cardiac muscle fibers in ventricular and atrial electrophysiology simulations

Since myocardial fibers drive the electric signal propagation throughout the myocardium, accurately modeling their arrangement is essential for simulating heart electrophysiology (EP). Rule-Based-Methods (RBMs) represent a commonly used strategy to include cardiac fibers in computational models. A particular class of such methods is known as Laplace-Dirichlet-Rule-Based-Methods (LDRBMs) since they rely on the solution of Laplace problems. In this work we provide a unified framework, based on LDRBMs, for generating full heart muscle fibers. First, we review existing ventricular LDRBMs providing a communal mathematical description and introducing also some modeling improvements with respect to the existing literature. We then carry out a systematic comparison of LDRBMs based on meaningful biomarkers produced by numerical EP simulations. Next we propose, for the first time, a LDRBM to be used for generating atrial fibers. The new method, tested both on idealized and realistic atrial models, can be applied to any arbitrary geometries. Finally, we present numerical results obtained in a realistic whole heart where fibers are included for all the four chambers using the discussed LDRBMs

Master of Science

thesisThis study introduces a pipeline for the temporal dilation of canine cardiac signals following registration to human torsos. Performing registration of data attained from canine electrophysiology studies to human torso geometries allows for a larger database for the investigation of human-like arrhythmias that cannot be readily obtained otherwise. However, during registration, the canine cardiac signals must be adjusted to correct spatially dependent aspects of propagation, such as conduction velocity (CV), that are influenced by increased heart size. We refer to this correction process as "temporal dilation'' as it includes resampling of the cardiac signals. We acquired 10 canine cardiac recordings from electrodes built into socks that covered the epicardial surface of the ventricles. The sock geometries were registered to two human torsos. From this spatial transform, we calculated both global and local scaling factors needed to adjust the time signals. Signals were then dilated with both scaling types using linear and nonlinear techniques. The linear method homogeneously dilated the entire signal and the nonlinear technique dilated segments of the signals outside the QRS and T wave. Dilated cardiac signals were validated by comparison of calculated values of CV, total activation time (TAT), and activation recovery interval (ARI). Activation maps also served as a means of qualitative comparison. The observed ECG metrics of canine cardiac signals after temporal dilation using global scaling closely resembled those from human recordings in terms of CV, ARI, and TAT. Temporally dilated signals using local scaling, in contrast, caused the observed ECG metrics to no longer remain within a physiologically relevant range. A realistic activation pattern was maintained after temporal dilation using global scaling. Though temporal dilation using locally calculated scaling factors did not result in physiologically relevant cardiac signals to humans, homogenous temporal dilation could be used to correct the spatially dependent aspects of propagation after geometric registration of canine hearts to human torso geometries. Homogenous temporal dilation, therefore, is a technique that can be used to generate human-like cardiac signals useful for validation of devices used to diagnose, monitor, or intervene in cases of cardiac arrhythmias

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

Finite element simulations: computations and applications to aerodynamics and biomedicine.

171 p.Las ecuaciones en derivadas parciales describen muchos fenómenos de interés práctico y sus solucionessuelen necesitar correr simulaciones muy costosas en clústers de cálculo.En el ámbito de los flujos turbulentos, en particular, el coste de las simulaciones es demasiado grande sise utilizan métodos básicos, por eso es necesario modelizar el sistema.Esta tesis doctoral trata principalmente de dos temas en Cálculo Científico.Por un lado, estudiamos nuevos desarrollos en la modelización y simulación de flujos turbulentos;utilizamos un Método de Elementos Finitos adaptativo y un modelo de ¿número de Reynolds infinito¿para reducir el coste computacional de simulaciones que, sin estas modificaciones, serían demasiadocostosas.De esta manera conseguimos lograr simulaciones evolutivas de flujos turbulentos con número deReynolds muy grande, lo cual se considera uno de los mayores retos en aerodinámica.El otro pilar de esta tesis es una aplicación biomédica.Desarrollamos un modelo computacional de Ablación (Cardiaca) por Radiofrecuencia, una terapiacomún para tratar varias enfermedades, por ejemplo algunas arritmias.Nuestro modelo mejora los modelos existentes en varias maneras, y en particular en tratar de obteneruna aproximación fiel de la geometría del sistema, lo cual se descubre ser crítico para simularcorrectamente la física del fenómeno