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

Fluid dynamics in the human heart: Altered vortex formation and wash-out in mitral regurgitation simulations

Mitral regurgitation alters the flow conditions in the left ventricle. To account for quantitative changes and to investigate the behavior of different flow components, a realistic computational model of the whole human heart was employed in this study. While performing fluid dynamics simulations, a scalar transport equation was solved to analyze vortex formation and ventricular wash-out for different regurgitation severities. Additionally, a particle tracking algorithm was implemented to visualize single components of the blood flow. We confirmed a significantly lowered volume of the direct flow component as well as a higher vorticity in the diseased case

Cascaded Fractional Kalman Filtering for State and Current Estimation of Large-Scale Lithium-Ion Battery Packs

In this paper, a cascaded fractional Kalman filter for state of charge and branch current estimation of large-scale battery systems is proposed. As a centralized approach for the estimation of a large-scale system is costly in terms of effort and time, a partition into smaller and, therefore, simpler subsystems is applied. Since the overall system is divided into smaller units, a local computation is allowed and complexity reduced. In these distributed systems, usually, the subsystems communicate with each other to exchange relevant data. Using a model based on mesh currents, we receive a cascaded system structure which results in a hierarchical arrangement of all subsystems. This concludes in a one-directional information flow and, therefore, reduces the overall communication effort. Using this proposed approach, it is not only possible to estimate the states of each branch locally but also to calculate the branch currents when the total current is known. Finally, a practical test with real measurement data is presented

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

Sequential Coupling Shows Minor Effects of Fluid Dynamics on Myocardial Deformation in a Realistic Whole-Heart Model

Background: The human heart is a masterpiece of the highest complexity coordinating multi-physics aspects on a multi-scale range. Thus, modeling the cardiac function in silico to reproduce physiological characteristics and diseases remains challenging. Especially the complex simulation of the blood's hemodynamics and its interaction with the myocardial tissue requires a high accuracy of the underlying computational models and solvers. These demanding aspects make whole-heart fully-coupled simulations computationally highly expensive and call for simpler but still accurate models. While the mechanical deformation during the heart cycle drives the blood flow, less is known about the feedback of the blood flow onto the myocardial tissue. Methods and Results: To solve the fluid-structure interaction problem, we suggest a cycle-to-cycle coupling of the structural deformation and the fluid dynamics. In a first step, the displacement of the endocardial wall in the mechanical simulation serves as a unidirectional boundary condition for the fluid simulation. After a complete heart cycle of fluid simulation, a spatially resolved pressure factor (PF) is extracted and returned to the next iteration of the solid mechanical simulation, closing the loop of the iterative coupling procedure. All simulations were performed on an individualized whole heart geometry. The effect of the sequential coupling was assessed by global measures such as the change in deformation and—as an example of diagnostically relevant information—the particle residence time. The mechanical displacement was up to 2 mm after the first iteration. In the second iteration, the deviation was in the sub-millimeter range, implying that already one iteration of the proposed cycle-to-cycle coupling is sufficient to converge to a coupled limit cycle. Conclusion: Cycle-to-cycle coupling between cardiac mechanics and fluid dynamics can be a promising approach to account for fluid-structure interaction with low computational effort. In an individualized healthy whole-heart model, one iteration sufficed to obtain converged and physiologically plausible results

Elevated levels of endocannabinoids in chronic hepatitis C may modulate cellular immune response and hepatic stellate cell activation.

The endocannabinoid (EC) system is implicated in many chronic liver diseases, including hepatitis C viral (HCV) infection. Cannabis consumption is associated with fibrosis progression in patients with chronic hepatitis C (CHC), however, the role of ECs in the development of CHC has never been explored. To study this question, anandamide (AEA) and 2-arachidonoyl glycerol (2-AG) were quantified in samples of HCV patients and healthy controls by gas and liquid chromatography mass spectrometry. Fatty acid amide hydrolase (FAAH) and monoaclyglycerol lipase (MAGL) activity was assessed by [3H]AEA and [3H]2-AG hydrolysis, respectively. Gene expression and cytokine release were assayed by TaqMan PCR and ELISpot, respectively. AEA and 2-AG levels were increased in plasma of HCV patients, but not in liver tissues. Hepatic FAAH and MAGL activity was not changed. In peripheral blood mononuclear cells (PBMC), ECs inhibited IFN-γ, TNF-α, and IL-2 secretion. Inhibition of IL-2 by endogenous AEA was stronger in PBMC from HCV patients. In hepatocytes, 2-AG induced the expression of IL-6, -17A, -32 and COX-2, and enhanced activation of hepatic stellate cells (HSC) co-cultivated with PBMC from subjects with CHC. In conclusion, ECs are increased in plasma of patients with CHC and might reveal immunosuppressive and profibrogenic effects