Lumped-parameter models for the simulation of cardiovascular congenital diseases

The objective of this study is to investigate some congenital heart defects by modeling them through a 0D lumped-parameters model. The starting reference model corresponds to a healthy adult male. The considered defects are the patent foramen ovale, partial anomalous pulmonary venous return, atrial septal defect and ventricular septal defect. The foramen is implemented by using a valve model based on the Bernoulli formula. The resulting model is tested for various foramen radius to quantify the different impact it has on the cardiac circulation. The model predicts a decrease in the ratio between pulmonary and systemic flow for increasing defect size. To model partial anomalous pulmonary venous return, the pulmonary venous compartment is first divided into the four main pulmonary veins. Subsequently, these veins are detached from the left atrium and connected, in one case, to the atrium and, in the other case, to the superior vena cava. In both cases, the number of anomalous veins is progressively increased from zero to three. The model predicts an increased impact on cardiac circulation for an increasing number of anomalous veins. Furthermore, by comparing the two cases, the model predicts a lower impact in the superior vena cava, resulting in a reduced amount of already oxygenated blood erroneously returning to the pulmonary circulation. Finally, the two septal defects are modeled as resistances connecting the respective cardiac chambers. A model calibration involving septal defects is performed for three different clinical data sets. The calibration shows how various parameters representing the physical characteristics of the cardiocirculatory system are changed due to the alteration in blood circulation patterns over the years. In particular, an increase in pulmonary resistances and a decrease in the arterial pulmonary capacitance is observed in two patients with ventricular septal defect.

L’obiettivo di questa trattazione è quello di studiare alcuni difetti congeniti del cuore, inserendili in un modello 0D a parametri-concentrati. Il modello di riferimento di partenza corrisponde ad un uomo adulto sano. I difetti considerati sono il forame ovale pervio, il ritorno venoso anomalo polmonare parziale, il difetto di setto interatriale e il difetto di setto interventricolare. Il forame viene implementato utilizzando un modello di valvola basato sulla formula di Bernoulli. Il modello risultante viene provato per diversi valori di raggio del forame per quantificare il diverso impatto che questo può comportare sulla circolazione cardiaca. I risultati mostrano una diminuzione del rapporto tra il flusso polmonare e il flusso sistemico incrementando le dimensioni del difetto. Per modelizzare il ritorno venoso anomalo polmonare parziale viene prima diviso il compartimento venoso polmonare nelle quattro principali vene polmonari. Successivamente queste vengono staccate dall’atrio sinsitro e collegate in un caso nell’atrio e nell’altro alla vena superiore cava. Per entrambi questi casi si aumenta progressivamente il numero di vene anomale da zero a tre. Per entrambi i casi di collegamento anomalo, a fronte di un aumento nel numero di vene anomale il modello prevede un incremento dell’impatto sulla circolazione cardiaca. Inoltre, confrontando i due casi, il modello prevede un minore impatto per collegamento alla vena superiore vena cava, quindi una ridotta quantità di sangue già ossigenato che erroneamente ritorna nella circolazione polmonare. Infine i due difetti di setto vengono modellati come due resistenze che collegano le rispettive camere cardiache. Una calibrazione del modello comprendente i difetti di setto è eseguita per tre diversi set di dati clinici. La calibrazione mostra come diversi parametri, rappresentanti le caratteristiche fisiche del sistema cardiocircolatorio, siano cambiate a causa dell’alterazione nella circolazione sanguigna a cui questo sistema è sottoposto nel corso degli anni. In particolare si nota un aumento delle resistenze polmonari e una diminuzione della capacità dell’arteria polmonare in due pazienti che presentano il difetto di setto interventricolare.