Studio computazionale della fluidodinamica nel cuore sinistro in presenza di valvola mitrale da imaging MR dinamico

The study and quantitative analysis of the fluid dynamics conditions of the blood within the heart during the various phases of the cardiac cycle have been increasingly explored, showing numerous utilities from a clinical point of view as an important way to support the doctor during the diagnostic phase and the planning of a specific treatment plan. In order to restore the patient's health, the starting point is a preliminary exhaustive understanding of fluid dynamic in a physiologic context; in fact, assessing the deviation from a physiologic condition leads to an understanding of the type and severity of the pathology, and as a result, the specalized doctor is able to implement the correct plan of care. In addition, to increase the relevance of the analysis, the investigation of the fluid dynamic behavior directly on the anatomy of the patient under examination allows to capture and to understand the anatomical singularities that characterize the patient, and thus to obtain an increasingly patient-centered clinical picture. Driven by this important motivation, this work presents a computational study of the fluid dynamics of the left heart, with the presence of the patient-specific dynamics of the mitral valve, under physiological conditions based on patient-specific MR image reconstruction of the left heart of a patient at the Borgo Trento Hospital in Verona, Italy. Specifically, it was possible to reconstruct the geometry of the mitral valve through the use of a dedicated data acquisition, so that information inherent its position and conformation during the various phases of the cardiac cycle could be obtained; this information is used to increase the level of specificity in the fluid dynamic analysis performed. The patient-specific geometric data reconstructed during the phases of the cardiac cycle were used as boundary conditions in the hemodynamic study based on the Navier-Stokes equations in a moving domain treated through an Arbitrarian Lagrangian Eulerian (ALE) framkwork which takes into account the motion of the reconstructed left heart computational domain, and the Resistive Immersed Implicit Surface (RIIS) method used to include the mitral valve in the rest of the domain. In order to evaluate the hemodynamic behavior of the left heart in which patient-specific configurations of the mitral valve were included, the distribution of velocity, blood flow, and pressure during the systole and diastole phases of the cardiac cycle was investigated.

Lo studio e l’analisi quantitativa delle condizioni fluidodinamiche del sangue all’interno del cuore durante le varie fasi del ciclo cardiaco sono stati esplorati in maniera sempre crescente, mostrando numerose utilità da un punto di vista clinico come importante mezzo di supporto per il medico durante una fase di diagnosi e di programmazione di un piano di cura specifico. Una comprensione esausitva preliminare della fluidodinamica in un contesto fisiologio è da ritenersi il punto di partenza per il ripristino della salute del paziente in quanto valutare il discostamento da una condizione fisiologica, porta alla comprensione della tipologia e della severità della patologia, e di conseguenza il medico specalizzato è in grado di attuare il corretto piano di cura. In aggiunta, per aumentare la rilevanza dell'analisi, indagare il comportamento fluidodinamico direttamente sull'anatomia del paziente in esame è fondamentale per poter catturare e comprendere le singolarità anatomiche che lo caratterizzano, e quindi ottenere un quadro clinico sempre più incentrato sul paziente stesso. Spinti da questa importante motivazione, in questo lavoro viene presentato uno studio computazionale della fluidodinamica del cuore sinistro in condizioni fisiologiche basato sulla ricostruzione paziente-specifica di immagini MR del cuore sinistro di un paziente dell'ospedale Borgo Trento di Verona, Italia, con la presenza inoltre della dinamica paziente-specifica della valvola mitrale. Nello specifico è stato possibile ricostruire la geometria della valvola mitrale attraverso l'utilizzo di una acquisizione dati dedicata, in modo da poter ottenere informazioni inerenti la sua posizione e la sua conformazione durante le varie fasi del ciclo cardiaco; informazioni utilizzate per aumentare il livello di specificità nell'analisi fluidodinamica effettuata. I dati geometrici paziente-specifici ricostruiti durante le fasi del ciclo cardiaco sono stati utilizzati come condizioni al contorno nello studio emodinamico, basato sulle equazioni di Navier-Stokes in un dominio in movimento trattate attraverso un framework basato sull'approccio Arbitrarian Lagrangian Eulerian (ALE), che tiene in conto del dominio computazionale del cuore sinistro in movimento ricostruito, e sul metodo Resistive Immersed Implicit Surface (RIIS), utilizzato per includere la valvola mitrale nel resto del dominio. Per poter valutare il comportamento emodinamico del cuore sinistro in cui sono state incluse le configurazioni paziente-specifiche della valvola mitrale, è stata investigata la distribuzione della velocità, del flusso sanguigno e della pressione durante le fasi di sistole e diastole del ciclo cardiaco.