Modelling the Human Cardiac Fluid Mechanics. 4th ed

With the Karlsruhe Heart Model (KaHMo) we aim to share our vision of integrated computational simulation across multiple disciplines of cardiovascular research, and emphasis yet again the importance of Modelling the Human Cardiac Fluid Mechanics within the framework of the international STICH study. The focus of this work is on integrated cardiovascular fluid mechanics, and the potential benefits to future cardiovascular research and the wider bio-medical community

Modelling the human cardiac fluid mechanics. 3rd ed

The third edition of this article on the modelling and simulation of the flow in human hearts supplements earlier editions. It discusses the flow-structure coupled heart model KAHMO FSI (Karlsruhe Heart Model) and examines patient-specific clinical application of the heart model for cardiac surgery. The KAHMO heart model can be used to predict flow losses and flow structures due to pathalogical ventricle defects. These are considered before and after surgery

Prävalenz der erektilen Dysfunktion bei Patienten mit Systemischer Sklerose im Vergleich zu anderen Kollagenosen und Gesunden: Die PEDSI-Studie

Die Systemische Sklerose (SSc) ist eine Autoimmunerkrankung und zählt zur Gruppe der Kollagenosen. Sie ist gekennzeichnet durch eine überschießende Kollagenbildung mit Fibrosierung von Haut, Hautanhangsgebilden und Organen, sowie Vaskulopathien der Endstreckengefäße und kann dadurch zur sexuellen [SDF] und erektilen Dysfunktion [ED] führen. Unsere primäre Fragestellung bestand darin festzustellen, wieviele Patienten mit SSc von einer SDF/ED betroffen sind. Dies haben wir mit anderen Kollagenosen [aK] und einer gesunden Kontrollgruppe [KG] verglichen. Neben diesem Hauptziel haben wir das Auftreten einer Depression und deren Zusammenhang zur SDF und ED untersucht. Es wurden insgesamt 67 Patienten und 123 Gesunde in einem Zeitraum von 06/2018 bis 03/2020 an der Universitätsklinik Tübingen rekrutiert. Die Patienten wurden 1:1 mit der KG altersgematched, da das Alter den höchsten Einflussfaktor der ED darstellt. Die Datenerfassung erfolgte durch einen allgemeinen Fragebogen zu Lebensgewohnheiten und Sexualität. Die sexuelle Funktion wurde mittels International Index of Erectile Function [IIEF] und dem Qualisex – Fragebogen geprüft (Rosen et al., 1997, Gossec et al., 2012). Zur Erfassung einer zusätzlich vorliegende Depression wurde das Becks Depressions Inventar (BDI) (Beck et al., 1961) verwendet. Daneben wurden Daten zur Krankheitsausprägung, - manifestation und der Medikation aus der Patientenakte entnommen. Als statistische Testverfahren wurden der Mann-Whitney-U-Test, der Chi- Quadrat-Test nach Pearson, der t-Test für unabhängige Stichproben und der exakte Fisher-Test bei einer Stichprobe ≤ 20 verwendet. Die Mittelwerte mit Standard-Abweichung [SD] wurden für metrische Variablen und Prozentwerte für kategoriale Variablen angegeben. Korrelationen wurden mittels Kendall-Tau-b und Eta Koeffizient auf Signifikanz geprüft. Das Signifikanzniveau wurde auf 0.05 (5%) festgelegt. Die Auswertung der sexuellen Funktion zeigte, dass nur 37,5% der Patienten zum Zeitpunkt der Datenerfassung sexuell aktiv waren. Demgegenüber standen 82,8% der gesunden Männer. Als häufigste Ursache für die signifikant erhöhte sexuelle Inaktivität der Patienten wurde Beschwerden im Rahmen der Kollagenose (28,1%) genannt. Unter den Patienten mit SSc wurde diese Ursache signifikant häufiger als bei den Patienten mit aK beschrieben (34,1% vs. 17,4%; p=0.035). Außerdem schildern 42,2% der Patienten ein reduziertes Lustempfinden, sowie 21,9% ein verändertes Selbstbewusstsein seit Eintritt der Erkrankung. Unter den Patienten fanden wir im IIEF eine SDF bei 36,1%. Dies war signifikant häufiger als bei der KG mit 4,7% (p<0.001). Unter den SSc – Patienten litten deutlich mehr an einer SDF als Patienten mit aK (42,5% vs. 23,8%). Die Auswertung der einzelnen Kategorien des IIEF ergab bei den Patienten eine Prävalenz der ED von 54,6%. Bei den SSc – Patienten waren 55,0% und bei Patienten mit aK 54,5% von einer ED betroffen. Die ED war damit in beiden Kohorten signifikant häufiger als bei Gesunden (12,7%). Zusätzlich konnten wir die höchste Prävalenz bei der schweren ED mit 47,5% der SSc – Patienten und 40,9% der Patienten mit aK ausmachen. Daneben fanden wir bei 54,8% der Patienten, ebenfalls signifikant häufiger als bei den Probanden der KG (15,9%), eine gestörte Orgasmus Funktion. In der nicht ausreichend zufriedenstellenden Befriedigung der Patienten spiegeln sich die Ergebnisse der sexuellen Funktion wider. Nur 13,1% der Patienten stellten keine Abweichungen in der allgemeinen Befriedigung fest. Unsere Patienten erreichten im Qualisex – Fragebogens einen Mittelwert von 2,96 (SD 2,14). Der Mittelwert der SSc – Patienten lag bei 2,92 (SD 2,21) und die Patienten mit aK erreichten im Mittel einen Wert von 3,02 (SD 2,06). Unsere Patienten erreichten damit einen niedrigeren Wert als Patienten mit RA (3,3) bei der Entwicklung des Qualisex – Fragebogens (Gossec et al., 2012). Obwohl unsere Patienten nachweisliche Defizite in der sexuellen und erektilen Funktion aufweisen und sogar mehr als die Hälfte der Patienten (51,6%) von sich behauptet an Erektionsproblemen zu leiden, wurde das Thema Sexualität nur bei 21,9% der Patienten jemals in einem Arzt–Patienten–Gespräch angesprochen. Dabei halten 65,6% das Thema für relevant und 42,2% haben den Bedarf es vermehrt zu thematisieren. Anhand des BDI konnten wir bei 29,7% der Patienten eine milde bis schwere Depression feststellen. Die SSc – Patienten waren häufiger von einer Depression betroffen als Patienten mit aK (36,6% vs. 17,4%). Damit lag eine Depression signifikant häufiger bei unseren Patienten als in der gesunden KG vor (6,3%). Zudem konnten wir eine signifikante Korrelation zwischen dem Auftreten einer ED und einer mittels BDI klassifizierten Depression nachweisen. Die stärkste Korrelation fanden wir bei den Patienten mit SSc. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen eindeutig: Patienten mit SSc und aK entwickeln häufiger eine SDF und ED als das Normalkollektiv. Es entstehen zudem erhebliche Einschränkungen in deren Sexualität. Die aufgezeigten Zusammenhänge zwischen erektiler Dysfunktion als auch sexueller Dysfunktion und Depression demonstrieren die Bedeutsamkeit der Betreuung in allen Bereichen. Hierzu gehört auch die Sexualität. Eine qualitative Versorgung der Patienten mit SSc und aK kann nur gewährleistet sein, wenn das Thema Sexualität mehr in den Fokus der behandelnden Ärzte rückt und eine offene Kommunikation zwischen Arzt und Patient stattfinden kann

Multi-physical simulation of left-ventricular blood flow based on patient-specific MRI data

Statistically, heart disease has been the major cause of death in the recent past, which emphasizes the need for computational heart models. In this context, the so-called KaHMo (Karlsruhe Heart Model) is specialized on the innerventricular blood flow and its influence on the overall heart conditions. Both healthy and diseased hearts are simulated in order to analyze characteristic flow patterns and pressure losses. The patient-specific fluid domain movement is realized by time-dependent geometries out of MRI data. However, in order to capture flow changes due to structural variations, a multi-physical simulation approach is of utmost importance. Consequently, the model extension KaHMo FSI includes macroscopic structural properties using a hyperelastic finite element composite. The partitioned code coupling strategy allows the combination of separated software packages specialized for both the fluid and structural domain respectively. The interaction of blood flow and constitutive behavior influences the interface movement for both relaxation and contraction. In this context, the energetic equilibrium between the computational fluid and structural domain requires kinematic and dynamic coupling conditions to be satisfied continuously. The focus of this work is on the first application of patientspecific reference geometry for KaHMo FSI. The coupled flow simulation is compared to corresponding results from KaHMo’s standard fluid domain movement. In order to validate the flow simulation itself a further test-case model is evaluated and compared to experimental flow measurements. A detailed understanding of hydro-elastic blood/soft-tissue interaction is important for future therapy planning

The Karlsruhe Heart Model KaHMo: a modular framework for numerical simulation of cardiac hemodynamics

Numerical methods are rapidly gaining importance for answering medical questions. One field in which these answer are especially valuable is cardiology. The understanding of the cardiac function on a detailed, physical level can help to improve diagnostics, prognosis and therapy for a large number of pathologies. The KaHMo (Karlsruhe Heart Model) is developed as a framework for the patient specific numerical simulation of the intraventricular flow. The framework combines different methods from several disciplines. As a means to simulate the cardiac flow in a given patient specific heart, KaHMo MRI derives the time dependent geometry of the endocardium and performs a numerical simulation of the intraventricular flow. In order to be able to predict the influence of pathological changes in e.g. the myocardium or the valves on the contraction of the heart and the flow driven by this movement, KaHMo FSI employs special Fluid-Structure-Interaction methods and a composite approach to muscular dynamics to simulate the complex interaction of non linear elastomechanics with hemodynamics. The framework is supported by additional models which include a model of the human circulatory system to derive the systemic pressure response, rheological models for the non- Newtonian behaviour of the blood as well as models for prediction of hemolysis and thrombosis risks in artificial blood pumps or ventricular assist devices. Future developments may incorporate electrodynamical models to include the possibility to predict the effect of e.g. arrythmia or therapeutical ablation on the heart function. The vision is a macroscopic holistic model of the human heart that can help to answer the ever pressing what if? questions

Aortic relative pressure components derived from four-dimensional flow cardiovascular magnetic resonance

PURPOSE: To describe the assessment of the spatiotemporal distribution of relative aortic pressure quantifying the magnitude of its three major components. METHODS: Nine healthy volunteers and three patients with aortic disease (bicuspid aortic valve, dissection, and Marfan syndrome) underwent 4D-flow CMR. Spatiotemporal pressure maps were computed from the CMR flow fields solving the pressure Poisson equation. The individual components of pressure were separated into time-varying inertial ("transient"), spatially varying inertial ("convective"), and viscous components. RESULTS: Relative aortic pressure is primarily caused by transient effects followed by the convective and small viscous contributions (64.5, 13.6, and 0.3 mmHg/m, respectively, in healthy subjects), although regional analysis revealed prevalent convective effects in specific contexts, e.g., Sinus of Valsalva and aortic arch at instants of peak velocity. Patients showed differences in peak transient values and duration, and localized abrupt convective changes explained by abnormalities in aortic geometry, including the presence of an aneurysm, a pseudo-coarctation, the inlet of a dissection, or by complex flow patterns. CONCLUSION: The evaluation of the three components of relative pressure enables the quantification of mechanistic information for understanding and stratifying aortic disease, with potential future implications for guiding therapy