A multiscale model of cardiac biomechanics to simulate surgical procedures in patients affected by hypoplastic heart syndrome

Single-ventricle (SV) defect is a complex congenital heart disease not compatible with life that could affect the left or the right ventricle with different grade of hypoplasia. Commonly, it is treated following a three-stage surgical procedure with the goal of restoring, in the last stage, a series of the systemic and pulmonary circulations. In the last decades great improvements in the surgical procedures have been achieved with signifi- cant increase in the outcomes for the treatment of SV defects. However, univentricular circulation still represents a critical and peculiar condition. Moreover, among differ- ent specialized centers a significant variation in the surgical options is still present and related to the expertise of the surgeons. This study aims at developing a multiscale computational framework able to couple a patient-specific 3D finite-element (FE) model of the SV to a patient-specific lumped pa- rameter (LP) model of the whole circulation, in a closed-loop fashion. A sequential ap- proach was carried out: (i) cardiocirculatory parameters were estimated by using a fully LP model; (ii) ventricular material parameters and unloaded geometry were identified by means of the stand-alone, 3D model of the SV; and (iii) the 3D model of SV was cou- pled to the LP model of the circulation, thus closing the loop and creating a multiscale model. Once the patient-specific multiscale model was setup using pre-operative clini- cal data, virtual surgery was performed thus, the post-operative condition was simulated. This approach allows the analysis of local information on ventricular function as well as global parameters of the cardiovascular system. In this work two patient-specific cases were simulated demonstrating the goodness of the proposed methodology in simulating the macroscopic behaviour of each patient considered. The pre-operative state of the patients were successfully simulated with errors in replicating the main hemodynamic quantities lower then 5%. The regional myocardial results reported were in agreement with other FE works and showed that SV hearts are subjected to heavier working condi- tions in respect to normal heart. The simulation of the post-operative state showed that: i) stroke volume significantly decreases (about 20-40% depending on the considered pa- tient); ii) the EDV decreases confirming the beneficial effect of the surgery; iii) aortic pressure increases in the mean value; iv) each patient presents specific response to the surgical procedure confirming the need for patient-specific modelling. To test the ability of the model in simulating SV circulation also in condition different form the clinical one, active condition and influence of fibre orientations were successfully simulated.

Il difetto di cuore univentricolare (SV, Single Ventricle) è una cardiopatia congenita complessa non compatibile con la vita che può interessare sia il ventricolo destro che il sinistro con grado di ipoplasia variabile. Comunemente, viene trattata seguendo una procedura chirurgica in tre fasi che ha l'obiettivo di ripristinare, nello stadio finale, una circolazione sistemica e polmonare in serie. Negli ultimi decenni, riguardo il trattamento dei difetti SV, sono stati raggiunti grandi miglioramenti nelle procedure chirurgiche, con conseguente aumento significativo dei risultati operatori. Tuttavia, la circolazione univentricolare rappresenta tuttora una condizione critica e peculiare e a seconda del centro specializzato ci sono grandi differenze nell’iter chirurgico che spesso è relativo all’esperienza maturata dai clinici. Questo studio si propone di sviluppare una struttura computazionale multiscala in grado di accoppiare un modello 3D ad elementi finiti (FE) paziente-specifico di SV con un modello a parametri concentrati paziente-specifico di tutta la circolazione del paziente, con un approccio a circuito chiuso. Per la costruzione di tale modello è stato utilizzato un approccio sequenziale: (i) i parametri cardiocircolatori sono stati stimati utilizzando un modello completamente a parametri concentrati; (Ii) parametri del materiale e la geometria ventricolare scarica sono stati identificati mediante il modello 3D di SV; e (iii) il modello 3D è stato accoppiato con il modello a parametri concentrati della circolazione, chiudendo così il circuito e creando un modello multiscala. Una volta che il modello multiscala paziente specifico è stato regolato in modo da replicare i dati clinici pre-operatori, è stata eseguita la simulazione della chirurgia, quindi, la condizione post-operatoria è stata simulata. Questo approccio consente l'analisi di informazioni di tipo locale sulla funzionalità ventricolare nonché parametri globali del sistema cardiovascolare. In questo lavoro due casi paziente-specifici sono stati simulati dimostrando la capacità del metodo proposto al fine di simulare il comportamento macroscopico di ciascun paziente in esame. Lo stato pre-operatorio dei pazienti sono stati simulate con successo con errori inferiori al 5% nel replicare le principali grandezze emodinamiche. I risultati locali riguardanti la parete miocardica riportati sono risultati essere in accordo con altri modelli FE riportati in letterature e hanno evidenziato che i cuori SV sono sottoposti a condizioni di lavoro più gravi rispetto al cuore normale. La simulazione dello stato post-operatorio ha mostrato che: i) il volume sistolico diminuisce significativamente (circa il 20-40% a seconda del paziente in esame); ii) il volume di fine diastole diminuisce confermando l'effetto benefico della chirurgia; iii) aumenta la pressione aortica media; iv) ogni paziente presenta una risposta specifica alla procedura chirurgica confermando la necessità di una modellazione paziente-specifica. Per testare la capacità del modello di simulare la circolazione SV anche in condizioni diverse da quelle cliniche, lo stato di esercizio fisico e l'influenza dell’orientamento delle fibre cardiache sono state simulate in modo soddisfacente.