Mitral valve model for computational fluid dynamics studies of intracardiac flow

Abstract

Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen die führende Todesursache weltweit dar. Umfangreiche Untersuchungen dieser sind daher notwendig, um die generelle Lebenserwartung zu erhöhen und hohe Behandlungskosten zu senken. Die numerische Strömungsmechanik (CFD) stellt hier eine vielversprechende Möglichkeit dar, um die Blutströmungen innerhalb der Herzkammern zu verstehen. Eine besondere Herausforderung innerhalb dieser Methodik ist die Modellierung der Mitralklappe. Diese ist eine Herzklappe, die die zwei großen Herzkammern des linken Herzens, den linken Vorhof und den linken Ventrikel verbindet. Die dünne Struktur der Mitralklappe ist mithilfe medizinischer Bildtechnik oft nicht ausreichend auflösbar und eine patientenspezifische Modellierung ist nur schwer möglich. Diese Arbeit zielt daher darauf ab, ein Modell der Mitralklappe zu erstellen und zu implementieren, welches die Bewegung der Klappe vorschreibt und die Anatomie durch eine vereinfachte und idealisierte Geometrie beschreibt. Dieses Modell soll ein weniger physiologisches ersetzen, welches bisher im Zuge eines auf der Immersed Boundary Method basierenden CFD-Simulationsprozesses eingesetzt wurde. Durch einfache Messungen der Geometrien und des Bewegungsablaufes kann dieses neue Modell bis zu einem gewissen Grad einem Patienten angepasst werden. Das Modell wird im Weiteren mit vergleichenden Simulationen eines einzelnen patientenspezifischen linken Vorhofes getestet, um den Einfluss der Mitralklappe auf die Strömung im linken Vorhof zu beurteilen. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Strömung im linken Vorhof weitgehend unabhängig von der Mitralklappe ist und nennenswerte Unterschiede auf die Region um die Klappe beschränkt sind. Die aus dem linken Vorhof austretende Strömung ist jedoch stark von der asymmetrischen Struktur der Klappe beeinflusst. Weitere Untersuchungen sind erforderlich um diese Schlussfolgerungen zu bestätigen. Das im Zuge dieser Arbeit erstellte Model stellt dabei einen wichtigen Schritt hin zur vollständig patientenspezifischen Modellierung der Mitralklappe dar.

Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. Their detailed examination is crucial to improve overall life expectancy and reduce the high costs of treatment. One approach to understanding the processes within the heart chambers is blood flow modeling using computational fluid dynamics. A particular challenge in these investigations is the modeling of the mitral valve, a one-way heart valve that connects the two major chambers of the left heart, the left atrium and the left ventricle. Its fine structure is not well resolved by medical images, making patient-specific models challenging to create. This thesis aims to develop and implement a mitral valve model suitable for simulating left atrial and ventricular hemodynamics. This model replaces a less physiological version previously used in an immersed boundary method-based simulation workflow to study patient-specific left atrial hemodynamics. The chosen approach models the anatomy using a simplified and standardized geometry and prescribes the motion during the cardiac cycle. Patient-specific key landmark measurements of geometry and motion can serve as inputs to tailor the model to individual patients. The model is tested through comparative simulations of one patient-specific case to evaluate the valve's influence on left atrial flow. The findings suggest that the global hemodynamics of the left atrium are largely independent of the mitral valve. Significant differences inside of the left atrium are confined to the region near the mitral valve, while the outflow after exiting the left atrium is strongly affected by the valve's asymmetric structure. Further investigations are required to validate these conclusions, but the model developed in the course of this thesis represents a significant step toward fully patient-specific modeling of the mitral valve.