An image-based computational hemodynamics analysis of systolic obstruction in hypertrophic cardiomyopathy

Hypertrophic Cardiomyopathy (HCM) is a very common pathological condition among the cardiovascular diseases, characterized by an abnormal thickening of the myocardium. It has a relevant impact on the global cardiac function and may lead to fatal outcomes as sudden cardiac death. Moreover, HCM may induce flow obstructions if the pathology affects the medio-basal region of the interventricular septum. In that case we refer to the pathology as Hypertrophic Obstructive Cardiomyopathy, that is a more severe form of HCM. In this work the aim is to assess the effects of this condition on the left ventricle hemodynamics of different patients suffering from HCM, determining if it induces an obstruction during the systolic phase. In order to achieve the goal, an image-based computational pipeline is provided, integrating a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis in moving domain with the reconstruction of the patient-specific ventricular geometry and motion from standard cine-MRI images, routinely acquired in diagnostic procedures. The mathematical model, hinging upon incompressible Navier-Stokes Equations, combines in a unique framework the Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation, accounting for the moving domain, with a resistive method, modeling the immersion of the mitral valve in the computational domain. The model is discretized by a stabilized finite element method. The analysis of outputs of interest, after the elaboration of clinical images of patients coming from L. Sacco Hospital in Milan and the numerical simulation of the problem, provide, for each HCM patient, a better understanding of the patho-physiological behaviour of hemodynamics (due to the abnormal morphological and dynamical conditions of the left ventricle). Moreover, relying on clinical guidelines, the investigation of the numerical results yields a computational-based classification of such patients. Furthermore, preliminary clinical indications that may help diagnosis and design of a possible surgical treatment (septal myectomy) are provided.

La Cardiomiopatia Ipertrofica è una condizione patologica molto comune tra le malattie cardiovascolari, caratterizzata da un ispessimento anomalo del miocardio. Ha un impatto rilevante sulla funzione cardiaca globale e può risultare fatale, causando morte cardiaca improvvisa. Inoltre, la Cardiomiopatia Ipertrofica può causare ostruzioni al flusso se la patologia colpisce la regione medio-basale del setto interventricolare. In quel caso la patologia è definita Cardiomiopatia Ipertrofica Ostruttiva, che è una forma più severa della malattia. In questo lavoro, l'obiettivo è valutare gli effetti di tale patologia sull'emodinamica del ventricolo sinistro, stabilendo se causi un'ostruzione durante la sistole. Lo scopo è stato raggiunto presentando una pipeline computazionale basata sull'imaging, che integra l'analisi mediante fluidodinamica computazionale in dominio mobile con la ricostruzione della geometria e del movimento del ventricolo paziente-specifico, ottenuta tramite immagini standard cine-RM, regolarmente acquisite nelle procedure diagnostiche. Il modello matematico, basato sulle Equazioni di Navier-Stokes relative a un fluido incomprimibile, unisce in un unico sistema la formulazione ALE, che modella il dominio mobile, con un metodo resistivo, che rappresenta matematicamente l'immersione della valvola mitrale nel dominio computazionale. Tale modello è discretizzato con un metodo agli elementi finiti stabilizzato. L'analisi degli output d'interesse, a seguito dell'elaborazione delle immagini cliniche dei pazienti fornite dall'Ospedale Sacco di Milano e della simulazione numerica del problema, permette, per ogni paziente HCM, una migliore comprensione del comportamento fisio-patologico dell'emodinamica (per via delle condizioni morfologiche e dinamiche del ventricolo sinistro). Inoltre, basandosi sulle indicazioni guida cliniche, lo studio dei risultati numerici porta a una classificazione di tali pazienti fondata sul metodo computazionale. Infine, vengono fornite delle indicazioni cliniche preliminari che potrebbero aiutare nella diagnosi e nella progettazione di un eventuale trattamento chirurgico (miectomia settale).