Development of computational methods for the analysis of AV biomechanics: a multiscale approach

The high prevalence of cardiac diseases and the corresponding social and economic burden has been motivating great efforts in the study of the patho-physiology of the heart and in the development of innovative clinical solutions to cardiac diseases. In particular, a massive research activity has been focusing on the aortic valve (AV), either to understand the physiological behavior and the mechanisms underlying pathological processes. In this context, subject-specific geometrical models represent nowadays the last generation of AV finite element (FE) models and are based on the complete 3D reconstruction of patient-specific anatomies through the segmentation of clinical images. The aims and scopes of this PhD project were defined to follow the research directions shared in literature in the attempt of pursuing a more subject-specific, complete and reliable numerical description on the multiscale biomechanical behavior of the AV. This project tackled different aspects of numerical FE modeling of AV, focusing on the attention to the modelling and discretization aspects, the development of a subject-specific multiscale approach going from the organ down to the cell length-scale, and the inclusion of structural tissue information in the organ length-scale models. Novel solutions were implemented to advance the current state of the art, focusing, in particular, on those technological and methodological issues that are still hampering a more comprehensive description of the biomechanical behavior of the AV through numerical simulations.

L'elevato incidenza di malattie cardiache e il corrispondente impatto sociale e economico ha motivato grandi sforzi nello studio della fisiopatologia del cuore e nello sviluppo di soluzioni cliniche innovative alle malattie cardiache. In particolare, un’importante attività di ricerca si è concentrata sulla valvola aortica (VA), sia per studiarne il comportamento fisiologico, che per capire i meccanismi alla base di processi patologici. In questo contesto, i modelli soggetto-specifici rappresentano l'ultima generazione di modelli ad elementi finiti (FE) e si basano sulla ricostruzione 3D completa di anatomie specifiche del paziente attraverso la segmentazione di immagini cliniche. Lo scopo principale di questo progetto di dottorato è stato definito seguendo le direzioni della ricerca condivise in letteratura, nel tentativo di ottenere una descrizione numerica del comportamento biomeccanico multiscala dell'AV soggetto-specifica più completa e affidabile. Questo progetto ha affrontato diversi aspetti della modellistica numerica a elementi finiti della VA concentrandosi su aspetti legati alla modellazione e alla discretizzazione, allo sviluppo di un approccio multiscala paziente-specifico che andasse dalla scala dall'organo fino alla scala cellulare e l'inclusione di informazioni strutturali sui tessuti nei modelli alla scala dell’organo. Sono state implementate nuove soluzioni per migliorare lo stato dell'arte attuale focalizzandosi, in particolare, su quelle questioni tecnologiche e metodologiche che ancora ostacolano una descrizione più completa e precisa del comportamento biomeccanico dell'AV attraverso simulazioni numeriche.