Modeling and development of a CFD pipeline for hemodynamics simulations of the left atrium in atrial fibrillation

Stroke is a major health concern worldwide. Its association to thrombus formation in the left atrium (LA) region is well established, particularly in patients affected by atrial fibrillation (AF), where atrial quivering contributes to blood stagnation. While computational medicine has emerged as an effective tool for studying this pathology, existing cardiovascular numerical simulations typically focus on small patient cohorts, lacking statistical support and standardized frameworks for high-throughput analysis. This thesis proposes a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation pipeline, incorporating non-linear optimization algorithms and an idealized LA wall motion, enabling efficient execution in high-performance computing environments. The outputs of the simulation pipeline are a series of wall shear stress (WSS) based hemodynamics indicators. They highlight critical areas that promote endothelial dysfunction and thrombogenesis, such as the left atrial appendage (LAA). Preliminary results, obtained through simulations performed on the LEONARDO supercomputer, demonstrate that the tool can efficiently process each patient in hours, thanks to the implementation of the CFD solver using the C++ finite element library lifex. This work is part of a collaborative project between MOX (Dipartimento di Matematica, Politecnico di Milano) and the Computational Cardiology Lab at Johns Hopkins University (JHU). It builds on a previous research on stroke risk assessment and aims to contribute to the long-term goal of expanding it to include thousands of patients, marking a significant step in the development of cost-effective, high-throughput computational models for stroke prediction.

L'ictus rappresenta una delle principali minacce per la salute dell'uomo a livello globale. La sua correlazione con la formazione di trombi nella regione dell'atrio sinistro è ben consolidata, in particolare nei pazienti affetti da fibrillazione atriale, in cui il tremore incontrollato della camera atriale favorisce il ristagno del sangue. Sebbene la medicina computazionale sia emersa come uno strumento efficace per lo studio di questa patologia, le simulazioni numeriche cardiovascolari esistenti si concentrano tipicamente su piccoli gruppi di pazienti, non apportando evidenze statistiche e mancando di framework standardizzati per un'analisi ad alta capacità di calcolo. Questa tesi propone una pipeline di simulazione di fluidodinamica computazionale che incorpora algoritmi di ottimizzazione non lineari e un movimento idealizzato delle pareti dell'atrio sinistro, permettendo un'esecuzione efficiente in ambienti di calcolo ad alte prestazioni. Gli output della pipeline di simulazione sono una serie di indicatori emodinamici basati sullo sforzo di taglio della parete atriale. Essi evidenziano aree critiche che promuovono disfunzioni endoteliali e trombogenesi, come l'auricola sinistra. I risultati preliminari, ottenuti tramite simulazioni sul supercomputer LEONARDO, dimostrano che lo strumento può elaborare ciascun paziente in poche ore, grazie all'implementazione del risolutore CFD tramite la libreria lifex, basata sull'uso di elementi finiti e implementata in C++. Questo lavoro è parte di un progetto di ricerca svolto in collaborazione tra il MOX (Dipartimento di Matematica, Politecnico di Milano) e il Computational Cardiology Lab della Johns Hopkins University (JHU). Esso si basa su un precedente studio volto alla valutazione del rischio di ictus e mira a contribuire all'obiettivo a lungo termine di espanderlo includendo migliaia di pazienti, segnando un passo significativo nello sviluppo di modelli computazionali ad alta capacità di calcolo e a basso costo per la previsione dell'ictus.