Patient-specific analysis of Mitral Valve Prolapse biomechanics: a novel automated workflow based on cardiac mri and fea

Degenerative mitral valve prolapse (MVP) affects up to 3% of the population and carries the risk of serious secondary complications. MVP biomechanics has already been investigated through finite element (FE) models based on cardiovascular magnetic resonance (CMR) imaging. However, a dedicated approach to reconstruct 3D MV geometry is required since CMR data consist in stacks of 2D images. Also, chordae tendineae (CT) cannot be clearly identified and uncertainty in their definition in the FE model may heavily impact on the reliability of numerical analysis. Based on cardiovascular magnetic resonance imaging, we aimed to provide additional insight into MVP biomechanics by advancing our FE modeling strategy. CMR images were acquired from one healthy subject and two patients with varying degrees of MVP, and the mitral valve (MV) geometry was reconstructed using Fourier and NURBS fitting functions. A functionally equivalent model of chordae tendineae was included, with insertions uniformly distributed over the leaflet surface; in MVP case, chordal density was locally reduced in the prolapse region based on a Gaussian function. The initial chordal length was calibrated by morphing the MV geometry onto the mid-systolic leaflet surface reconstructed from CMR data, extracting the true force distribution in the CTs at peak-systole (PS). MV closure was simulated from end diastole to PS, including the hyperelastic mechanical response of MV tissues as well as annular and papillary muscles’ motion. Chordal length calibration resulted in consistency between the MV configuration simulated at PS and ground-truth CMR data. Comparison to the healthy MV model showed that calibration made most of the chordae longer in the normal case, and shorter in the mild and severe MVP cases, on average. Maximum principal stress markedly increased on the prolapsing posterior MV leaflets in the pathological cases compared to the healthy MV model. Forces transferred by CTs to papillary muscles were higher in the MVP cases compared to the physiological one. The advances in the CMR-based MV modeling strategy improved MV model reliability on a patient-specific basis and provided deeper insights into the biomechanical derangements associated with degenerative MVP.

Il prolasso degenerativo della valvola mitrale (MVP) colpisce fino al 3% della popolazione e comporta il rischio di serie complicazioni secondarie. La biomeccanica della MVP è già stata studiata attraverso modelli a elementi finiti (FE) basati su immagini di risonanza magnetica cardiovascolare (CMR). Tuttavia, è necessario un approccio dedicato per ricostruire la geometria 3D della valvola mitrale poiché i dati CMR consistono di immagini bidimensionali. Inoltre, le corde tendinee (CT) non possono essere chiaramente identificate e l'incertezza nella loro definizione all’interno del modello FE può influire pesantemente sulla affidabilità dell'analisi numerica. Sulla base delle immagini di risonanza magnetica cardiovascolare, si è cercato di fornire ulteriori informazioni sulla biomeccanica della MVP avanzando nella nostra strategia di modellazione FE. Le immagini CMR sono state acquisite da un soggetto sano e da due pazienti con diversi gradi di MVP, e la geometria della valvola mitrale è stata ricostruita utilizzando funzioni di fitting di Fourier e NURBS. È stato incluso un modello funzionalmente equivalente di CT, con inserzioni uniformemente distribuite sulla superficie dei lembi; nel caso di MVP, la densità delle corde è stata localmente ridotta nella regione interessata dal prolasso, sulla base di una funzione gaussiana. La lunghezza iniziale delle corde è stata calibrata tramite il morphing della geometria della MV rispetto alla superficie dei lembi a picco sistole (PS) ricostruita dai dati CMR, estraendo la distribuzione delle forze nelle corde. La chiusura della MV è stata simulata da telediastole (TD) a PS, includendo nel modello la risposta meccanica iperelastica dei tessuti della valvola mitrale, nonché il movimento dell’annulus e dei muscoli papillari. La calibrazione della lunghezza delle corde ha permesso di ottenere una certa coerenza tra la configurazione della MV simulata a PS e i dati CMR di riferimento. Il confronto con il modello di MV sana ha mostrato come la calibrazione abbia reso, in media, la maggior parte delle corde più lunghe nel caso sano e più corte nei casi di MVP lieve e grave. Lo stress principale massimo è aumentato notevolmente in corrispondenza del prolasso sul lembo posteriore per i casi patologici, rispetto al modello di MV sana. Le forze trasferite dalle corde ai muscoli papillari sono risultate più alte nei casi di MVP rispetto a quello fisiologico. Gli avanzamenti nella strategia di modellazione della valvola mitrale basata su CMR hanno migliorato l'affidabilità del modello paziente-specifico di valvola mitrale e fornito risultati approfonditi sulle alterazioni biomeccaniche associate al prolasso degenerativo.