Mathematical characterization and hemodynamic assessment of coronary microvascular dysfunction using a cardiac perfusion model

Coronary Microvascular Dysfunction (CMD) is increasingly recognized as a fundamental driver of ischemic heart disease, yet its in vivo assessment remains challenging due to the microscopic scale of the vessels and the complex biophysical interactions regulating Myocardial Blood Flow (MBF). This thesis aims to mathematically characterize CMD through a multiphysics and multiscale computational framework. To capture the effects of cardiac contraction on the microvasculature, a fully-coupled 0D-3D electromechanical model is integrated with a Navier-Stokes-Darcy perfusion model, employing a compliant multi-compartment Darcy formulation. Structural microvascular alterations typical of CMD, including capillary rarefaction and distal lumen narrowing, were simulated by modulating specific network parameters. The framework was first evaluated on an idealized bifurcation geometry for sensitivity analysis and subsequently applied to a realistic 3D left heart geometry perfusing the biventricular myocardium. Numerical simulations successfully reproduced physiological coronary hemodynamics, notably the diastolic dominance driven by cyclic intramyocardial compression. Under simulated pathological conditions, the model accurately captured key hemodynamic markers of microvascular impairment: severe reduction in conductive capacity, targeted subendocardial ischemia, reduced MBF, the emergence of systolic retrograde flow, and a Coronary Flow Reserve (CFR) below the physiological threshold. This computational framework provides a promising in silico approach for investigating microcirculatory diseases, laying a valuable foundation to support the non-invasive assessment of complex coronary and microvascular hemodynamics.

La disfunzione del microcircolo coronarico (CMD) è sempre più riconosciuta come una causa primaria della cardiopatia ischemica, ma la sua valutazione in vivo rimane complessa a causa della scala microscopica dei vasi coinvolti. Questa tesi si pone l’obiettivo di caratterizzare matematicamente la CMD attraverso un framework computazionale multifisica e multiscala. Per catturare gli effetti della contrazione cardiaca sul microcircolo, un modello elettromeccanico 0D-3D completamente accoppiato è stato integrato con un modello di perfusione Navier-Stokes-Darcy, impiegando una formulazione Darcy multicompartimentale compliante. Le alterazioni strutturali tipiche della CMD, come la rarefazione capillare e la riduzione del lume distale, sono state simulate modulando parametri specifici della rete. Il framework è stato inizialmente testato su una biforcazione idealizzata per un’analisi di sensibilità e successivamente applicato a una geometria 3D realistica del cuore sinistro con perfusione del miocardio biventricolare. Le simulazioni numeriche hanno riprodotto fedelmente l’emodinamica coronarica fisiologica, in particolare la dominanza diastolica indotta dalla compressione intramiocardica ciclica. In condizioni patologiche, il modello ha catturato con successo marcatori clinici chiave della compromissione microvascolare: drastica riduzione della capacità conduttiva, ischemia subendocardica, diminuzione del flusso sanguigno miocardico (MBF), comparsa di flusso retrogrado sistolico e una riserva di flusso coronarico (CFR) inferiore alla soglia fisiologica. Il modello proposto offre un promettente approccio in silico per lo studio delle patologie del microcircolo, ponendo delle valide basi metodologiche per supportare la valutazione non invasiva della complessa emodinamica coronarica e microvascolare.