Acoustic and elastic 2D full-waveform inversion of submarine gas hydrate deposits: a synthetic study = Akustische und elastische 2D Wellenforminversion von submarinen Gashydrat-Lagerstätten: Eine synthetische Studie

Gashydrate sind nur unter bestimmten Bedingungen, der sogenannten Gashydrat Stabilitätszone (GHSZ), stabil. Gas, das unterhalb der GHSZ produziert wird, wird in den Sedimenten unterhalb der gashydrathaltigen Sedimente im Porenraum eingeschlossen. Aufgrund der erhöhten elastischen Geschwindigkeiten in gashydrathaltigen Sedimenten und der signifikanten Reduzierung der Kompressionswellengeschwindigkeit im teilweise gasgesättigten Sediment, kann dieser Übergang in seismischen Daten als irregulärer Reflektor, dem sogenannten Bottom Simulating Reflector (BSR), beobachtet werden. Obwohl ein BSR die Basis der GHSZ definiert, können daraus keine weiteren Informationen über Gashydrate abgeleitet werden. Demzufolge müssen fortgeschrittenere Methoden entwickelt werden, um Gashydrat-Lagerstätten quantifizieren zu können. Aktuelle Studien haben versucht die Sättigung von freiem Gas und Gashydrat in marinen Sedimenten zu quantifizieren, indem sie ein Vorhersagemodell berechnet haben, welches die Sättigung von Gashydrat und freiem Gas im Porenraum mit seismischen Geschwindigkeiten in Verbindung bringt. Deshalb ist es notwendig ein hochaufgelöstes eschwindigkeitsmodell zu erhalten um sie realistisch interpretieren zu können. Seismische Wellenforminversion ist prädestiniert für diese Aufgabe, da sie auch stark heterogene Untergründe hoch auflösend abbilden kann. In dieser Arbeit erstellen wir ein 2D Untergrundmodell, das gashydrat- und gasgesättigte Sedimente enthält. Wir nutzen dieses Modell und die Akquisitionsgeometrie einer seismischen Erkundung im Schwarzen Meer, um synthetische, observierte Daten mit einer Finite-Differenzen Methode im Zeitbereich zu berechnen. Anschließend führen wir 2D akustische und elastische Wellenforminversion Rekonstruktionstests durch, um das Potential der Wellenforminversion bezüglich der Auflösung von Gashydrat-Lagerstätten beurteilen zu können. Die P- und S-Wellengeschwindigkeits Eigenschaften von gashydrat- und gashaltigen Sedimenten konnte erfolgreich rekonstruiert werden. Im Vergleich zur akustischen Wellenforminversion leidet die elastische Wellenforminversion weniger unter Inversionsartefakten und erhöht die Auflösung der Sedimente im ganzen Untergrund. Das Residuum wurde um bis zu vier Größenordnungen reduziert und das finale Modell erklärt die observierten Daten nahezu perfekt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass seismische Wellenforminversion es ermöglicht die Auflösung im Untergrund im Vergleich zu den üblichen seismischen Abbildungsmethoden deutlich zu verbessern und die Eigenschaften von gashydrat- sowie gasgesättigen Sedimenten korrekt zu rekonstruieren

Personalized Electromechanical Modeling of the Human Heart : Challenges and Opportunities for the Simulation of Pathophysiological Scenarios

Mathematische Modelle des menschlichen Herzens entwickeln sich zu einem Eckpfeiler der personalisierten Medizin. Sie sind ein nützliches Instrument und helfen klinischen Entscheidungsträgern die zugrundeliegenden Mechanismen von Herzkrankheiten zu erforschen und zu verstehen. Aufgrund der Komplexität des Herzens benötigen derartige Modelle allerdings eine detaillierte Beschreibung der physikalischen Prozesse, welche auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen miteinander interagieren. Aus mathematischer Perspektive stellen vor allem die Entwicklung robuster numerischer Methoden für die Lösung des Modells in Raum und Zeit sowie die Identifizierung von Parametern aus patientenspezifischen Messungen eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein detailliertes mathematisches Modell vorgestellt, welches ein vollgekoppeltes Multiskalenmodell des menschlichen Herzens beschreibt. Das Modell beinhaltet unter anderem die Ausbreitung des elektrischen Signals und die mechanische Verformung des Herzmuskels sowie eine Beschreibung des Herz-Kreislauf-Systems. Basierend auf dem neusten Stand der Technik wurden Modelle der Membrankinetik sowie der Entwicklung der aktiven Kraft zu einem einheitlichen Modell einer Herzmuskelzelle zusammengeführt. Dieses beschreibt die elektromechanische Kopplung in Herzmuskelzellen der Vorhöfe und der Herzkammern basierend auf der Physiologie im Menschen und wurde mit Hilfe von experimentellen Daten aus einzelnen Zellen neu parametrisiert. Um das elektromechanisch gekoppelte Modell des menschlichen Herzens lösen zu können, wurde ein gestaffeltes Lösungsverfahren entwickelt, welches auf bereits existierenden Softwarelösungen der Elektrophysiologie und Mechanik aufbaut. Das neue Modell wurde verwendet, um den Einfluss elektromechanischer Rückkopplungseffekte auf das Herz im Sinusrhythmus zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass elektromechanische Rückkopplungseffekte auf zellulärer Ebene einen wesentlichen Einfluss auf das mechanische Verhalten des Herzens haben. Dahingegen hatte die Verformung des Herzens nur einen geringen Einfluss auf den Diffusionskoeffizienten des elektrischen Signals. Um die verschiedenen Komponenten der Simulationssoftware zu verifizieren, wurden spezielle Probleme definiert, welche die wichtigsten Aspekte der Elektrophysiologie und der Mechanik abdecken. Zusätzlich wurden diese Probleme dazu verwendet, den Einfluss von räumlicher und zeitlicher Diskretisierung auf die numerische Lösung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass Raum- und Zeitdiskretisierung vor allem für das elektrophysiologische Problem die limitierenden Faktoren sind, während die Mechanik hauptsächlich anfällig für volumenversteifende Effekte ist. Weiterhin wurde das Modell verwendet, um zu untersuchen, wie sich eine Verteilung der Faserspannung auf den gesamten Herzmuskel auf die Funktion der linken Herzkammer auswirkt. Hierzu wurde zusätzlich eine Spannung in die Normalenrichtungen der Fasern einer idealisierten linken Herzkammer angewandt. Es zeigte sich, dass insbesondere eine Spannung senkrecht zu den Faserschichten zu einer physiologischeren Kontraktion der Kammer führte. Allerdings konnten diese Ergebnisse auf einem ganzen Herzen nicht vollständig bestätigt werden. In einem zweiten Projekt wurde mit Hilfe eines Modells der linken Herzkammer untersucht, wie sich das Rotationsmuster der Kammer unter Modifikation der lokalen elektromechanischen Eigenschaften verändert. Hierzu wurden in vivo Daten elektromechanischer Parameter von 30 Patienten mit Herzversagen und Linksschenkelblock in das Modell integriert, simuliert und ausgewertet. Die Ergebnisse konnten die klinisch aufgestellte Hypothese nicht bestätigen und es zeigte sich keine Korrelation zwischen den elektromechanischen Parametern und dem Rotationsverhalten. Die Auswirkungen von standardisierten Ablationsstrategien zur Behandlung von Vorhofflimmern in Bezug auf die kardiovaskuläre Leistung wurde in einem Modell des ganzen Herzens untersucht. Aufgrund der Narben im linken Vorhof wurde die elektrische Aktivierung und die Steifigkeit des Herzmuskels verändert. Dies führte zu einem reduzierten Auswurfvolumen, welches in direktem Zusammenhang mit dem inaktiven Gewebe steht. Abhängig von der Steifigkeit der Narben hat sich zusätzlich der Druck im linken Vorhof erhöht. Die linke Herzkammer war nur wenig beeinflusst. Zu guter Letzt wurden schrittweise pathologische Mechanismen in das Herzmodell integriert, welche in Zusammenhang mit Herzversagen stehen und in Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie zu beobachten sind. Die Simulationen zeigten, dass vor allem zelluläre Veränderungen bezüglich der elektrophysiologischen Eigenschaften für die schlechte mechanische Aktivtät des Herzens verantwortlich sind. Weiterhin zeigte sich, dass strukturelle Veränderungen der Anatomie und die erhöhte Steifigkeit des Herzmuskels und die damit einhergehenden Anpassungen des Herz-Kreislauf-Systems nötig sind, um in vivo Messungen zu reproduzieren. In dieser Arbeit wurde eine Simulationsumgebung vorgestellt, welche die Berechnung der elektromechanischen Aktivität des Herzens und des Herz-Kreislauf-Systems ermöglicht. Die Simulationsumgebung wurde mit Hilfe von einfachen Beispielen verifiziert und unter Einbeziehung von Daten aus der Magnetresonanztomographie validiert. Zu guter Letzt wurde die Simulationsumgebung genutzt, um klinische Fragen zu beantworten, welche andernfalls im Dunkeln blieben

The Impact of Standard Ablation Strategies for Atrial Fibrillation on Cardiovascular Performance in a Four-Chamber Heart Model

Purpose: Atrial fibrillation is one of the most frequent cardiac arrhythmias in the industrialized world and ablation therapy is the method of choice for many patients. However, ablation scars alter the electrophysiological activation and the mechanical behavior of the affected atria. Different ablation strategies with the aim to terminate atrial fibrillation and prevent its recurrence exist but their impact on the performance of the heart is often neglected. Methods: In this work, we present a simulation study analyzing five commonly used ablation scar patterns and their combinations in the left atrium regarding their impact on the pumping function of the heart using an electromechanical whole-heart model. We analyzed how the altered atrial activation and increased stiffness due to the ablation scars affect atrial as well as ventricular contraction and relaxation. Results: We found that systolic and diastolic function of the left atrium is impaired by ablation scars and that the reduction of atrial stroke volume of up to 11.43% depends linearly on the amount of inactivated tissue. Consequently, the end-diastolic volume of the left ventricle, and thus stroke volume, was reduced by up to 1.4 and 1.8%, respectively. During ventricular systole, left atrial pressure was increased by up to 20% due to changes in the atrial activation sequence and the stiffening of scar tissue. Conclusion: This study provides biomechanical evidence that atrial ablation has acute effects not only on atrial contraction but also on ventricular performance. Therefore, the position and extent of ablation scars is not only important for the termination of arrhythmias but is also determining long-term pumping efficiency. If confirmed in larger cohorts, these results have the potential to help tailoring ablation strategies towards minimal global cardiovascular impairment

The impact of standard ablation strategies for atrial fibrillation on cardiovascular performance in a four-chamber heart model

Purpose: Atrial fibrillation is one of the most frequent cardiac arrhythmias in the industrialized world and ablation therapy is the method of choice for many patients. However, ablation scars alter the electrophysiological activation and the mechanical behavior of the affected atria. Different ablation strategies with the aim to terminate atrial fibrillation and prevent its recurrence exist but their impact on the hemodynamic performance of the heart has not been investigated thoroughly. Methods: In this work, we present a simulation study analyzing five commonly used ablation scar patterns and their combinations in the left atrium regarding their impact on the pumping function of the heart using an electromechanical whole-heart model. We analyzed how the altered atrial activation and increased stiffness due to the ablation scar affect atrial as well as ventricular contraction and relaxation. Results: We found that systolic and diastolic function of the left atrium is impaired by ablation scars and that the reduction of atrial stroke volume of up to 11.43% depends linearly on the amount of inactivated tissue. Consequently, the end-diastolic volume of the left ventricle, and thus stroke volume, was reduced by up to 1.4% and 1.8%, espectively. During ventricular systole, left atrial pressure was increased by up to 20% due to changes in the atrial activation sequence and the stiffening of scar tissue. Conclusion: This study provides biomechanical evidence that atrial ablation has acute effects not only on atrial contraction but also on ventricular pumping function. Our results have the potential to help tailoring ablation strategies towards minimal global hemodynamic impairment

The Impact of Standard Ablation Strategies for Atrial Fibrillation on Cardiovascular Performance in a Four-chamber Heart Model

Atrial fibrillation is one of the most frequent cardiac arrhythmias in the industrialized world and ablation therapy is the method of choice for many patients. However, ablation scars alter the electrophysiological activation and the mechanical behavior of the affected atria. Different ablation strategies with the aim to terminate atrial fibrillation and prevent its recurrence exist but their impact on the hemodynamic performance of the heart has not been investigated thoroughly. In this work, we present a simulation study analyzing five commonly used ablation scar patterns and their combinations in the left atrium regarding their impact on the pumping function of the heart using an electromechanical whole-heart model. We analyzed how the altered atrial activation and increased stiffness due to the ablation scar affect atrial as well as ventricular contraction and relaxation. We found that systolic and diastolic function of the left atrium is impaired by ablation scars and that the reduction of atrial stroke volume of up to 11.43% depends linearly on the amount of inactivated tissue. Consequently, the end-diastolic volume of the left ventricle, and thus stroke volume, was reduced by up to 1.4% and 1.8%, respectively. During ventricular systole, left atrial pressure was increased by up to 20% due to changes in the atrial activation sequence and the stiffening of scar tissue. This study provides biomechanical evidence that atrial ablation has acute effects not only on atrial contraction but also on ventricular pumping function. Our results have the potential to help tailoring ablation strategies towards minimal global hemodynamic impairment

Efficient time splitting schemes for the monodomain equation in cardiac electrophysiology

Approximating the fast dynamics of depolarization waves in the human heart described by the monodomain model is numerically challenging. Splitting methods for the PDE-ODE coupling enable the computation with very fine space and time discretizations. Here, we compare different splitting approaches regarding convergence, accuracy, and efficiency. Simulations were performed for a benchmark problem with the Beeler–Reuter cell model on a truncated ellipsoid approximating the left ventricle including a localized stimulation. For this configuration, we provide a reference solution for the transmembrane potential. We found a semi-implicit approach with state variable interpolation to be the most efficient scheme. The results are transferred to a more physiological setup using a bi-ventricular domain with a complex external stimulation pattern to evaluate the accuracy of the activation time for different resolutions in space and time

Efficient time splitting schemes for the monodomain equation in cardiac electrophysiology

Approximating the fast dynamics of depolarization waves in the human heart described by the monodomain model is numerically challenging. Splitting methods for the PDE-ODE coupling enable the computation with very fine space and time discretizations. Here, we compare different splitting approaches regarding convergence, accuracy and efficiency. Simulations were performed for a benchmark configuration with the Beeler–Reuter cell model on a truncated ellipsoid approximating the left ventricle including a localized stimulation. For this benchmark configuration, we provide a reference solution for the transmembrane potential. We found a semi-implicit approach with state variable interpolation to be the most efficient scheme. The results are transferred to a more physiological setup using a bi-ventricular domain with a complex external stimulation pattern to evaluate the accuracy of the activation time for different resolutions in space and time

Dyssynchronous Left Ventricular Activation is Insufficient for the Breakdown of Wringing Rotation

Cardiac resynchronization therapy is a valuable tool to restore left ventricular function in patients experiencing dyssynchronous ventricular activation. However, the non-responder rate is still as high as 40%. Recent studies suggest that left ventricular torsion or specifically the lack thereof might be a good predictor for the response of cardiac resynchronization therapy. Since left ventricular torsion is governed by the muscle fiber orientation and the heterogeneous electromechanical activation of the myocardium, understanding the relation between these components and the ability to measure them is vital. To analyze if locally altered electromechanical activation in heart failure patients affects left ventricular torsion, we conducted a simulation study on 27 personalized left ventricular models. Electroanatomical maps and late gadolinium enhanced magnetic resonance imaging data informed our in-silico model cohort. The angle of rotation was evaluated in every material point of the model and averaged values were used to classify the rotation as clockwise or counterclockwise in each segment and sector of the left ventricle. 88% of the patient models (n = 24) were classified as a wringing rotation and 12% (n = 3) as a rigid-body-type rotation. Comparison to classification based on in vivo rotational NOGA XP maps showed no correlation. Thus, isolated changes of the electromechanical activation sequence in the left ventricle are not sufficient to reproduce the rotation pattern changes observed in vivo and suggest that further patho-mechanisms are involved

Influence of geometrical properties for the calculation of a pressure-free whole heart geometry

Individualized computer models of the geometry of the human heart are often based on magnetic resonance images (MRI) or computed tomography (CT) scans. The stress distribution in the imaged state cannot be measured but needs to be estimated from the segmented geometry, e.g. by an iterative algorithm. As the convergence of this algorithm depends on different geometrical conditions, we systematically studied their influence. Beside various shape alterations, we investigated the chamber volume, as well as the effect of material parameters. We found a marked influence of passive material parameters: increasing the model stiffness by a factor of ten halved the residual norm in the first iteration. Flat and concave areas led to a reduced robustness and convergence rate of the unloading algorithm. With this study, the geometric effects and modeling aspects governing the unloading algorithm\u27s convergence are identified and can be used as a basis for further improvement

Causes of altered ventricular mechanics in hypertrophic cardiomyopathy: an in-silico study

Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is typically caused by mutations in sarcomeric genes leading to cardiomyocyte disarray, replacement fibrosis, impaired contractility, and elevated filling pressures. These varying tissue properties are associated with certain strain patterns that may allow to establish a diagnosis by means of non-invasive imaging without the necessity of harmful myocardial biopsies or contrast agent application. With a numerical study, we aim to answer: how the variability in each of these mechanisms contributes to altered mechanics of the left ventricle (LV) and if the deformation obtained in in-silico experiments is comparable to values reported from clinical measurements