Image based cardiac blood dynamics in presence of papillary muscles and chordae tendineae

This work aims to assess the fluid dynamics role of chordae tendineae and papillary muscles through Dynamic Image Based Computational Fluid Dynamics (DIB-CFD) simulations of the systole of left heart, in a physiological and a pathological contest. This latter refers to mitral valve regurgitation pathology. Having such a complex model (the first including both papillary muscles and chordae in the context of DIB-CFD simulations) allows a more detailed and complete study of ventricular fluid dynamics. To achieve this goal, a consolidated reconstruction pipeline has been here applied to this new context to perform the segmentation and the displacement registration of patient-specific papillary muscles from standard CINE MRI images. Moreover, we introduced a way to manually-reconstructing chordae tendineae. The hemodynamics is studied through the numerical discretization of a mathematical model that combines in a unique framework the incompressible Navier-Stokes equations written in the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation, which takes into account the motion of the reconstructed left heart computational domain (and particularly papillary muscles), with a Resistive Immersed Implicit Surface (RIIS) method, which models the immersion of chordae tendineae in the domain. This problem is computationally solved in the context of LifeX finite element C++ library. In order to evaluate the hemodynamic role of chordae and papillaries, different scenarios are built to discriminate the effect that chordae tendineae and papillary muscles have in terms of variations of fluid dynamics quantities, such as velocity fields and wall shear stresses. Despite the overall flow patterns and the global integrated flow quantities are not affected by these anatomical structures, chordae tendineae creates local fluid dynamics variations, such as the developing of vortexes or disturbances of flow, which can be considered in case of very specific needs of fluid dynamics accuracy in the region of the mitral valve.

Il presente elaborato si propone di valutare il ruolo fluidodinamico di corde tendinee e muscoli papillari attraverso simulazioni di fluidodinamica computazionale (DIB-CFD) basata su immagini dinamiche della sistole del cuore sinistro, in un contesto fisiologico e patologico. Quest’ultimo si riferisce alla patologia di valvola mitrale rigurgitante. Avere un modello così complesso (il primo che include sia i papillari che le corde tendinee nel contesto delle simulazioni DIB-CFD) permette uno studio più dettagliato e completo della fluidodinamica ventricolare. Per raggiungere tale obiettivo, una consolidata procedura di ricostruzione è applicata per effettuare la segmentazione e la registrazione dello spostamento di muscoli papillari paziente specifici, partendo da immagini standard di CINE MRI. In aggiunta, viene introdotta una procedura di ricostruzione manuale delle corde tendinee. L’emodinamica è studiata attraverso la discretizzazione numerica di un modello matematico basato sulle equazioni di Navier-Stokes per fluido incomprimibile. Tale modello unisce una formulazione Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE), che permette di considerare il movimento ricostruito del dominio computazionale del cuore sinistro (e, in particolare, quello dei muscoli papillari), con un metodo Resistive Immersed Implicit Surface (RIIS), che modellizza l’immersione delle corde tendinee nel dominio. Questo modello è risolto computazionalmente nel contesto della libreria Lifex C++ ad elementi finiti. Per valutare il ruolo emodinamico delle corde e dei papillari, differenti scenari sono costruiti per discriminare l’effetto che le corde tendinee e i muscoli papillari hanno in termini di variazione di quantità fluidodinamiche, come campi di velocità o wall shear stresses. Nonostante i pattern di flusso e le quantità fluidodinamiche globali non siano influenzate da queste strutture anatomiche, le corde tendinee creano delle variazioni fluidodinamiche locali, come lo sviluppo di vortici o disturbo del flusso, che possono essere considerati in caso di esigenze di accuratezza molto specifiche di variabili fluidodinamiche nell’intorno della regione della valvola mitrale.