Sviluppo di un workflow per l'implementazione di modelli numerici del ventricolo sinistro da risonanza magnetica cardiaca

In this thesis, a workflow for the implementation of numerical simulations of the left ventricle (LV) and mitral valve (MV) based on cardiac magnetic resonance images (MRI) was developed. In silico analysis can be exploited for several purposes, for instance, to support clinicians in finding the best therapy for patients or as a tool for designing biomedical devices. The implementation of such analysis requires a dedicated framework to be carried out, in order to build the adequate set-up. Although different simulations, e.g., finite element, computational fluid dynamics or fluid-structure interaction need specific adaptations, some general data are required, independently from the type of analysis. This work aims at defining a versatile framework for providing these data. The workflow can be broken down into steps. In the first step, the clinical images must be filtered in order to remove the intrinsic noise. To this scope, an image registration algorithm was developed, which allowed to effectively correct the misalignment between the images of the dataset. The second step is based on the reconstruction of the patient-specific anatomies from the profiles obtained from the segmentation. An algorithm for the reconstruction of the LV endocardial surfaces along the cardiac cycle was developed; to validate the algorithm, a comparison between the volumetric curve over a cardiac cycle generated from the model with the in vivo measures obtained from the commercial software cvi42 (Circle Cardiovascular Imaging, Canada) was carried out. The error made was comparable with the gold standard algorithms available in the literature. Starting from the ventricular surfaces, the LV kinematics was reconstructed. The MV was based on a model previously developed by the Polimi cardiovascular biomechanics group, and it was adapted in order to provide a spatial co-registration with respect to the ventricular surface; the LV and MV kinematics were tuned coherently in time along the cardiac cycle. Finally, a possible benchmarking method based on the 4D Flow MRI was proposed as a tool for validating the fluid dynamics simulations. Despite some limitations, the workflow proposed provides the basic set-up required for numerical simulations of the complex LV-MV.

In questa tesi è stato sviluppato un workflow per l’implementazione di simulazioni numeriche del ventricolo sinistro (VS) e della valvola mitrale (VM) basato su immagini di risonanza magnetica cardiaca (RMC). I modelli in silico possono essere sfruttati per diversi scopi, ad esempio, per supportare i clinici nella ricerca della miglior terapia per i pazienti o come strumento per la progettazione di dispositivi biomedicali. L’implementazione di tali analisi richiede un framework dedicato, tuttavia, sebbene approcci numerici diversi quali elementi finiti, computational fluid dynamics o fluid-structure interaction necessitino di adattamenti specifici, è possibile definire un set-up generale. Questo lavoro mira a definire un workflow per generare tale set-up. Il workflow può essere suddiviso in più parti. Nella prima fase, le immagini cliniche devono essere filtrate per rimuovere il rumore dal dato. A tale scopo è stato sviluppato un algoritmo di registrazione delle immagini, che ha permesso di correggere efficacemente il disallineamento tra le immagini del dataset. Il secondo passaggio si basa sulla ricostruzione delle anatomie patient-specific a partire dai profili ottenuti dalla segmentazione delle immagini. A tale scopo è stato sviluppato un algoritmo per la ricostruzione delle superfici del VS; per convalidare l’algoritmo, è stato effettuato un confronto tra la curva volumetrica durante il ciclo cardiaco generata dal modello e quella riprodotta dal software commerciale cvi42 (Circle Cardiovascular Imaging, Canada). L’errore commesso è stato in linea con gli algoritmi attualmente presenti in letteratura. A partire dalle superfici ventricolari è stata ricostruita la cinematica del VS. La VM si basa su un modello precedentemente sviluppato dal gruppo di biomeccanica cardiovascolare del Polimi, ed è stata adattata per promuovere una co-registrazione spaziale rispetto alla superficie ventricolare; la cinematica del VS e della VM sono state riferite al medesimo istante di partenza lungo il ciclo cardiaco. Infine, è stato proposto un possibile metodo di benchmarking basato sul dato 4D Flow MRI come strumento per la validazione delle simulazioni fluidodinamiche. Nonostante alcune limitazioni, il flusso di lavoro proposto ha fornito il set-up di base necessario per l’implementazione di simulazioni numeriche del complesso VS-VM.