On motion in dynamic magnetic resonance imaging: Applications in cardiac function and abdominal diffusion

La imagen por resonancia magnética (MRI), hoy en día, representa una potente herramienta para el diagnóstico clínico debido a su flexibilidad y sensibilidad a un amplio rango de propiedades del tejido. Sus principales ventajas son su sobresaliente versatilidad y su capacidad para proporcionar alto contraste entre tejidos blandos. Gracias a esa versatilidad, la MRI se puede emplear para observar diferentes fenómenos físicos dentro del cuerpo humano combinando distintos tipos de pulsos dentro de la secuencia. Esto ha permitido crear distintas modalidades con múltiples aplicaciones tanto biológicas como clínicas. La adquisición de MR es, sin embargo, un proceso lento, lo que conlleva una solución de compromiso entre resolución y tiempo de adquisición (Lima da Cruz, 2016; Royuela-del Val, 2017). Debido a esto, la presencia de movimiento fisiológico durante la adquisición puede conllevar una grave degradación de la calidad de imagen, así como un incremento del tiempo de adquisición, aumentando así tambien la incomodidad del paciente. Esta limitación práctica representa un gran obstáculo para la viabilidad clínica de la MRI. En esta Tesis Doctoral se abordan dos problemas de interés en el campo de la MRI en los que el movimiento fisiológico tiene un papel protagonista. Éstos son, por un lado, la estimación robusta de parámetros de rotación y esfuerzo miocárdico a partir de imágenes de MR-Tagging dinámica para el diagnóstico y clasificación de cardiomiopatías y, por otro, la reconstrucción de mapas del coeficiente de difusión aparente (ADC) a alta resolución y con alta relación señal a ruido (SNR) a partir de adquisiciones de imagen ponderada en difusión (DWI) multiparamétrica en el hígado.Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería TelemáticaDoctorado en Tecnologías de la Información y las Telecomunicacione

Flow pattern analysis for magnetic resonance velocity imaging

Blood flow in the heart is highly complex. Although blood flow patterns have been investigated by both computational modelling and invasive/non-invasive imaging techniques, their evolution and intrinsic connection with cardiovascular disease has yet to be explored. Magnetic resonance (MR) velocity imaging provides a comprehensive distribution of multi-directional in vivo flow distribution so that detailed quantitative analysis of flow patterns is now possible. However, direct visualisation or quantification of vector fields is of little clinical use, especially for inter-subject or serial comparison of changes in flow patterns due to the progression of the disease or in response to therapeutic measures. In order to achieve a comprehensive and integrated description of flow in health and disease, it is necessary to characterise and model both normal and abnormal flows and their effects. To accommodate the diversity of flow patterns in relation to morphological and functional changes, we have described in this thesis an approach of detecting salient topological features prior to analytical assessment of dynamical indices of the flow patterns. To improve the accuracy of quantitative analysis of the evolution of topological flow features, it is essential to restore the original flow fields so that critical points associated with salient flow features can be more reliably detected. We propose a novel framework for the restoration, abstraction, extraction and tracking of flow features such that their dynamic indices can be accurately tracked and quantified. The restoration method is formulated as a constrained optimisation problem to remove the effects of noise and to improve the consistency of the MR velocity data. A computational scheme is derived from the First Order Lagrangian Method for solving the optimisation problem. After restoration, flow abstraction is applied to partition the entire flow field into clusters, each of which is represented by a local linear expansion of its velocity components. This process not only greatly reduces the amount of data required to encode the velocity distribution but also permits an analytical representation of the flow field from which critical points associated with salient flow features can be accurately extracted. After the critical points are extracted, phase portrait theory can be applied to separate them into attracting/repelling focuses, attracting/repelling nodes, planar vortex, or saddle. In this thesis, we have focused on vortical flow features formed in diastole. To track the movement of the vortices within a cardiac cycle, a tracking algorithm based on relaxation labelling is employed. The constraints and parameters used in the tracking algorithm are designed using the characteristics of the vortices. The proposed framework is validated with both simulated and in vivo data acquired from patients with sequential MR examination following myocardial infarction. The main contribution of the thesis is in the new vector field restoration and flow feature abstraction method proposed. They allow the accurate tracking and quantification of dynamic indices associated with salient features so that inter- and intra-subject comparisons can be more easily made. This provides further insight into the evolution of blood flow patterns and permits the establishment of links between blood flow patterns and localised genesis and progression of cardiovascular disease.Open acces

Model-based quantification of systolic and diastolic left ventricular mechanics

Het linker ventrikel (LV) is de meest gespierde kamer van het hart. Door het gecoördineerd samentrekken van de spiercellen in de LV-wand wordt zuurstofrijk bloed in de aorta gepompt (systolische fase). Daarna ontspannen de spiercellen zich snel waardoor het LV opnieuw met bloed wordt gevuld (diastolische fase). In de kliniek en de onderzoekswereld bestaat er een waaier van modelgebaseerde methoden en concepten om de performantie en de mechanische eigenschappen van het LV te kwantificeren. Invasief bekomen druk- en volumedata laten toe om de systolische en diastolische mechanica van het LV met grote nauwkeurigheid te kennen. In de klinische praktijk wordt echter vaker gebruik gemaakt van (Doppler-) echocardiografie, een snelle en veilige niet-invasieve beeldtechniek. In een eerste deel van dit doctoraatsonderzoek werd een originele methode voorgesteld om, op basis van echocardiografie en klassieke bloeddrukmetingen, de intrinsieke krachtontwikkeling (contractiliteit) van het LV te schatten. De methode werd toegepast bij 2524 mensen die deelnemen aan de Asklepios-studie. De onderzoeksresultaten verschaften ons nieuwe informatie over hoe de evolutie van de krachtontwikkeling verschilt tussen gezonde mannen en vrouwen. De mechanische en vloeistofdynamische fenomenen tijdens de diastole vormden het onderwerp van het tweede deel van het onderzoek. Met behulp van een hydraulisch model van het LV werd nagegaan welke factoren een belangrijke invloed uitoefenen op het gedrag van het LV tijdens de isovolumetrische ontspanningsfase. In dit deel werd eveneens een uitgebreid overzicht gegeven van de meest recente echocardiografische methoden om de diastolische LV-mechanica te begroten. Daarbij werden de bloedstroming, de wandbeweging en de interactie tussen beiden gedetailleerd behandeld

Advanced echocardiography and cardiac magnetic resonance in congenital heart disease : insights in right ventricular mechanics and clinical implications

The thesis provides new insights into advanced echocardiographic and magnetic resonance imaging techniques for comprehensive mechanical assessment of the right ventricle in healthy children and in pediatric patients with right ventricular dysfunction. It is shown that the right ventricle does not contract synchronously in the longitudinal direction and that this is related to right ventricular function. Various echocardiographic (Tissue Doppler imaging, Speckle tracking, 3D echocardiography) and magnetic resonance imaging techniques (Tissue Velocity imaging, 3D flow imaging) are validated for use in the right ventricle in pediatric patients.UBL - phd migration 201

Fluid-electro-mechanical model of the human heart for supercomputers

The heart is a complex system. From the transmembrane cell activity to the spatial organization in helicoidal fibers, it includes several spatial and temporal scales. The heart muscle is surrounded by two main tissues that modulate how it deforms: the pericardium and the blood. The former constrains the epicardial surface and the latter exerts a force in the endocardium. The main function of this peculiar muscle is to pump blood to the pulmonary and systemic circulations. In this way, solid dynamics of the heart is as important as the induced fluid dynamics. Despite the work done in computational research of multiphysics heart modelling, there is no reference of a tightly-coupled scheme that includes electrophysiology, solid and fluid mechanics in a whole human heart. In this work, we propose, develop and test a fluid-electro-mechanical model of the human heart. To start, the heartbeat phenomenon is disassembled in the different composing problems. The first building block is the electrical activity of the myocytes, that induces the mechanical deformation of the myocardium. The contraction of the muscle reduces the intracavitary space, that pushes out the contained blood. At the same time, the inertia, pressure and viscous stresses in this fluid exerts a force on the solid wall. In this way, we can understand the heart as a fluid-electro-mechanical problem. All the models are implemented in Alya, the Barcelona Supercomputing Center simulation software. A multi-code approach is used, splitting the problem in a solid and a fluid domain. In the former, electrophysiology coupled with solid mechanics are solved. In the later, fluid dynamics in an arbitrary Lagrangian-Eulerian domain are computed. The equations are spatially discretized using the finite element method and temporally discretized using finite differences. Facilitated by the multi-code approach, a novel high performance quasi-Newton method is developed to deal with the intrinsic issues of fluid-structure interaction problems in iomechanics. All the schemes are optimized to run in massively parallel computers. A wide range of experiments are shown to validate, test and tune the numerical model. The different hypothesis proposed — as the critical effect of the atrium or the presence of pericardium — are also tested in these experiments. Finally, a normal heartbeat is simulated and deeply analyzed. This healthy computational heart is first diseased with a left bundle branch block. After this, its function is restored simulating a cardiac resynchronization therapy. Then, a third grade atrioventricular block is simulated in the healthy heart. In this case, the pathologic model is treated with a minimally invasive leadless intracardiac pacemaker. This requires to include the device in the geometrical description of the problem, solve the structural problem with the tissue, and the fluid-structure interaction problem with the blood. As final experiment, we test the parallel performance of the coupled solver. In the cases mentioned above, the results are qualitatively compared against experimental measurements, when possible. Finally, a first glance in a coupled fluid-electro-mechanical cardiovascular system is shown. This model is build adding a one dimensional model of the arterial network created by the Laboratório Nacional de Computação Científica in Petropolis, Brasil. Despite the artificial geometries used, the outflow curves are comparable with physiological observations. The model presented in this thesis is a step towards the virtual human heart. In a near future computational models like the presented in this thesis will change how pathologies are understood and treated, and the way biomedical devices are designed.El corazón es un sistema complejo. Desde la actividad celular hasta la organización espacial en fibras helicoidales, incluye gran cantidad de escalas espaciales y temporales. El corazón está rodeado principalmente por dos tejidos que modulan su deformación: el pericardio y la sangre. El primero restringe el movimiento del epicardio, mientras el segundo ejerce fuerza sobre el endocardio. La función principal de este músculo es bombear sangre a la circulación sistémica y a la pulmonar. Así, la deformación del miocardio es tan importante como la fluidodinámica inducida. Al día de hoy, solo se han propuesto modelos parciales del corazón. Ninguno de los modelos publicados resuelve electrofisiología, mecánica del sólido, y dinámica de fluidos en una geometría completa del corazón. En esta tesis, proponemos, desarrollamos y probamos un modelo fluido -electro -mecánico del corazón. Primero, el problema del latido cardíaco es descompuesto en los distintos subproblemas. El primer bloque componente es la actividad eléctrica de los miocitos, que inducen la deformación mecánica del miocardio. La contratación de este músculo, reduce el espacio intracavitario, que empuja la sangre contenida. Al mismo tiempo, la inercia, presión y fuerzas viscosas del fluido inducen una presión sobre la pared del sólido. De esta manera, podemos entender el latido cardíaco como un problema fluido-electro-mecánico. Los modelos son implementados en Alya, el software de simulación del Barcelona Supercomputing Center. Se utiliza un diseño multi-código, separando el problema según el dominio en sólido y fluido. En el primero, se resuelve electrofisiología acoplado con mecánica del sólido. En el segundo, fluido dinámica en un dominio arbitrario Lagrangiano-Euleriano. Las ecuaciones son discretizadas espacial y temporalmente utilizando elementos finitos y diferencias finitas respectivamente. Facilitado por el diseño multi-codigo, se desarrolló un novedoso método quasi-Newton de alta performance, pensado específicamente para lidiar con los problemas intrínsecos de interacción fluido-estructura en biomecánica. Todos los esquemas fueron optimizados para correr en ordenadores masivamente paralelos.Se presenta un amplio espectro de experimentos con el fin de validar, probar y ajustar el modelo numérico. Las diferentes hipótesis propuestas tales como el efecto producido por la presencia de las aurículas o el pericardio son también demostradas en estos experimentos. Finalmente un latido normal es simulado y sus resultados son analizados con profundidad. El corazón computacional sano es, primeramente enfermado de un bloqueo de rama izquierda. Posteriormente se restaura la función normal mediante la terapia de resincronización cardíaca. Luego se afecta al corazón de un bloqueo atrioventricular de tercer grado. Esta patología es tratada mediante la implantación de un marcapasos intracardíaco. Para esto, se requiere incluir el dispositivo en la descripción geométrica, resolver el problema estructural con el tejido y la interacción fluido-estructura con la sangre. Como experimento numérico final, se prueba el desempeño paralelo del modelo acoplado.Finalmente, se muestran resultados preliminares para un modelo fluido-electro-mecánico del sistema cardiovascular. Este modelo se construye agregando un modelo unidimensional del árbol arterial. A pesar de las geometrías artificiales usadas, la curva de flujo en la raíz aórtica es comparable con observaciones experimentales. El modelo presentado aquí representa un avance hacia el humano virtual. En un futuro, modelos similares, cambiarán la forma en la que se entienden y tratan las enfermedades y la forma en la que los dispositivos biomédicos son diseñados.Postprint (published version

Fluid-electro-mechanical model of the human heart for supercomputers

The heart is a complex system. From the transmembrane cell activity to the spatial organization in helicoidal fibers, it includes several spatial and temporal scales. The heart muscle is surrounded by two main tissues that modulate how it deforms: the pericardium and the blood. The former constrains the epicardial surface and the latter exerts a force in the endocardium. The main function of this peculiar muscle is to pump blood to the pulmonary and systemic circulations. In this way, solid dynamics of the heart is as important as the induced fluid dynamics. Despite the work done in computational research of multiphysics heart modelling, there is no reference of a tightly-coupled scheme that includes electrophysiology, solid and fluid mechanics in a whole human heart. In this work, we propose, develop and test a fluid-electro-mechanical model of the human heart. To start, the heartbeat phenomenon is disassembled in the different composing problems. The first building block is the electrical activity of the myocytes, that induces the mechanical deformation of the myocardium. The contraction of the muscle reduces the intracavitary space, that pushes out the contained blood. At the same time, the inertia, pressure and viscous stresses in this fluid exerts a force on the solid wall. In this way, we can understand the heart as a fluid-electro-mechanical problem. All the models are implemented in Alya, the Barcelona Supercomputing Center simulation software. A multi-code approach is used, splitting the problem in a solid and a fluid domain. In the former, electrophysiology coupled with solid mechanics are solved. In the later, fluid dynamics in an arbitrary Lagrangian-Eulerian domain are computed. The equations are spatially discretized using the finite element method and temporally discretized using finite differences. Facilitated by the multi-code approach, a novel high performance quasi-Newton method is developed to deal with the intrinsic issues of fluid-structure interaction problems in iomechanics. All the schemes are optimized to run in massively parallel computers. A wide range of experiments are shown to validate, test and tune the numerical model. The different hypothesis proposed — as the critical effect of the atrium or the presence of pericardium — are also tested in these experiments. Finally, a normal heartbeat is simulated and deeply analyzed. This healthy computational heart is first diseased with a left bundle branch block. After this, its function is restored simulating a cardiac resynchronization therapy. Then, a third grade atrioventricular block is simulated in the healthy heart. In this case, the pathologic model is treated with a minimally invasive leadless intracardiac pacemaker. This requires to include the device in the geometrical description of the problem, solve the structural problem with the tissue, and the fluid-structure interaction problem with the blood. As final experiment, we test the parallel performance of the coupled solver. In the cases mentioned above, the results are qualitatively compared against experimental measurements, when possible. Finally, a first glance in a coupled fluid-electro-mechanical cardiovascular system is shown. This model is build adding a one dimensional model of the arterial network created by the Laboratório Nacional de Computação Científica in Petropolis, Brasil. Despite the artificial geometries used, the outflow curves are comparable with physiological observations. The model presented in this thesis is a step towards the virtual human heart. In a near future computational models like the presented in this thesis will change how pathologies are understood and treated, and the way biomedical devices are designed.El corazón es un sistema complejo. Desde la actividad celular hasta la organización espacial en fibras helicoidales, incluye gran cantidad de escalas espaciales y temporales. El corazón está rodeado principalmente por dos tejidos que modulan su deformación: el pericardio y la sangre. El primero restringe el movimiento del epicardio, mientras el segundo ejerce fuerza sobre el endocardio. La función principal de este músculo es bombear sangre a la circulación sistémica y a la pulmonar. Así, la deformación del miocardio es tan importante como la fluidodinámica inducida. Al día de hoy, solo se han propuesto modelos parciales del corazón. Ninguno de los modelos publicados resuelve electrofisiología, mecánica del sólido, y dinámica de fluidos en una geometría completa del corazón. En esta tesis, proponemos, desarrollamos y probamos un modelo fluido -electro -mecánico del corazón. Primero, el problema del latido cardíaco es descompuesto en los distintos subproblemas. El primer bloque componente es la actividad eléctrica de los miocitos, que inducen la deformación mecánica del miocardio. La contratación de este músculo, reduce el espacio intracavitario, que empuja la sangre contenida. Al mismo tiempo, la inercia, presión y fuerzas viscosas del fluido inducen una presión sobre la pared del sólido. De esta manera, podemos entender el latido cardíaco como un problema fluido-electro-mecánico. Los modelos son implementados en Alya, el software de simulación del Barcelona Supercomputing Center. Se utiliza un diseño multi-código, separando el problema según el dominio en sólido y fluido. En el primero, se resuelve electrofisiología acoplado con mecánica del sólido. En el segundo, fluido dinámica en un dominio arbitrario Lagrangiano-Euleriano. Las ecuaciones son discretizadas espacial y temporalmente utilizando elementos finitos y diferencias finitas respectivamente. Facilitado por el diseño multi-codigo, se desarrolló un novedoso método quasi-Newton de alta performance, pensado específicamente para lidiar con los problemas intrínsecos de interacción fluido-estructura en biomecánica. Todos los esquemas fueron optimizados para correr en ordenadores masivamente paralelos.Se presenta un amplio espectro de experimentos con el fin de validar, probar y ajustar el modelo numérico. Las diferentes hipótesis propuestas tales como el efecto producido por la presencia de las aurículas o el pericardio son también demostradas en estos experimentos. Finalmente un latido normal es simulado y sus resultados son analizados con profundidad. El corazón computacional sano es, primeramente enfermado de un bloqueo de rama izquierda. Posteriormente se restaura la función normal mediante la terapia de resincronización cardíaca. Luego se afecta al corazón de un bloqueo atrioventricular de tercer grado. Esta patología es tratada mediante la implantación de un marcapasos intracardíaco. Para esto, se requiere incluir el dispositivo en la descripción geométrica, resolver el problema estructural con el tejido y la interacción fluido-estructura con la sangre. Como experimento numérico final, se prueba el desempeño paralelo del modelo acoplado.Finalmente, se muestran resultados preliminares para un modelo fluido-electro-mecánico del sistema cardiovascular. Este modelo se construye agregando un modelo unidimensional del árbol arterial. A pesar de las geometrías artificiales usadas, la curva de flujo en la raíz aórtica es comparable con observaciones experimentales. El modelo presentado aquí representa un avance hacia el humano virtual. En un futuro, modelos similares, cambiarán la forma en la que se entienden y tratan las enfermedades y la forma en la que los dispositivos biomédicos son diseñados