Reduced fluid-structure interaction and non-Newtonian models of blood flows for simulating the aortic valve

In the context of cardiovascular computational fluid dynamics of blood flow in proximity of the aortic valve, this thesis has a twofold objective. First, we investigate a novel reduced order model for blood-valve Fluid-Strucure Interaction problem (FSI), with the aim of understanding the role of its parameters and calibrating them towards a physiological scenario. Second, we complement the FSI model with a non-Newtonian model for blood rheology. To the best of our knowledge, the literature lacks studies concerning the usage of a non-Newtonian model in proximity of a physiological trileaflet valve: with this work we try to fill this gap. We implemented the non-Newtonian model, in a high-performance library for cardiac applications, and we validated it with a comparison with the literature. Regarding the FSI simulation conducted in proximity of a realistic aortic valve, we calibrate the parameters of the reduced model in order to obtain a configuration similar to what is physiologically observed in a healthy individual, and two configurations related to the most common pathological cases caused by malfunctioning of the valve. We proved that the healthy configuration is in accordance with most of the physiological parameters measured in the literature during the systole. The comparison between the Newtonian and non-Newtonian models in the two pathological cases confirms that the rheological model has only little influence on quantities such as valve dynamics and transvalvular pressure drop, in accordance with what can be found in the literature. Our results, however, show that considering Newtonian blood rheology leads to an underestimation of the wall shear stress. We thus conclude that the non-Newtonian rheology of blood must be taken into account whenever wall shear stress is in the focus of the clinical investigation.

Nel contesto dello studio della fluidodinamica computazionale del sangue in prossimità della valvola aortica, questa tesi ha un duplice obiettivo. In primo luogo, abbiamo investigato un innovativo metodo ridotto per lo studio dei problemi di interazione fluido-struttura (FSI), con lo scopo di comprendere il ruolo dei diversi parametri del modello e calibrarli in modo da ottenere scenari fisiologici. In secondo luogo, abbiamo accoppiato il modello FSI con un modello non-Newtoniano per la reologia del sangue. Per quanto riguarda la nostra conoscenza, in letteratura mancano studi riguardanti l'utilizzo di un modello non-Newtoniano in prossimità di una valvola fisiologica composta da tre lembi: con questo lavoro abbiamo provato a colmare questa lacuna. Abbiamo implementato il modello non-Newtoniano in una libreria per applicazioni cardiache ad alte performance e lo abbiamo validato confrontandolo con la letteratura. Per quanto riguarda la simulazione FSI condotta in prossimità di una valvola aortica realistica, abbiamo calibrato i parametri del modello ridotto in modo da ottenere una configurazione simile a quella che viene fisiologicamente osservata in un individuo sano, e due configurazioni relative ai più comuni casi patologici causati da un malfunzionamento della valvola. Abbiamo dimostrato che la configurazione sana risulta essere in accordo con la maggior parte dei parametri fisiologici misurati in letteratura durante la sistole. Il confronto tra il modello Newtoniano e non-Newtoniano nei due casi patologici conferma che il modello reologico ha poca influenza su quantità come le dinamiche della valvola e il salto di pressione transvalvolare, in accordo con quello che viene osservato in letteratura. Tuttavia i nostri risultati mostrano che l'utilizzo del modello Newtoniano porta a sottostimare lo sforzo di taglio a parete. Concludiamo quindi che la reologia non-Newtoniana del sangue deve essere tenuta in considerazione se lo sforzo di taglio è nello scopo dell'investigazione clinica.