The influence of cardiac trabeculae on ventricular mechanics

Cardiac trabeculae are cylindrical structures characterized by an axial orientation of myocytes which cover the inner surfaces of both ventricles. They are arranged in a complex shape, but preferably oriented along the ventricular apico-basal direction. The trabeculae represent a significant percentage of ventricular mass (12%-17%), and a value of trabecular mass higher than 20% is considered an index of pathology. The aim of the thesis is to understand the role of trabeculae on heart performances. A finite-element model of the left ventricle was developed to simulate the cardiac cycle (Abaqus® 6.10, SIMULIA, Dassault Systémes). To compare different models (with or without trabeculae) the ventricle was simplified as a truncated ellipsoid and the trabeculae, if present, as cylindrical strands laying onto the endocardium oriented along the ventricular axis. Different trabeculae diameters and mass were implemented to investigate the influence of these parameters on the model outcomes. The total muscular mass and the intra-ventricular volume were kept constant in all models. The cardiac tissue mechanical behaviour was modelled by an anisotropic hyperelastic law. The material parameters were optimized to fit the physiologic pressure-volume relationship during the diastole. Cardiac fibres were oriented helically in the ventricular wall and along the axial direction in the trabeculae, according to the literature. The muscular contraction was simulated by increasing the material stiffness according to the contraction curve of a cardiac fibre secondary to an intracellular calcium variation. To avoid any rigid motions of the structure, kinematic boundary conditions were applied at the ventricular base. Physiologic atrial pressure was set during the ventricular filling phase, while an adequate RCR model was connected downstream to the ventricle to simulate the systemic circulation. The results show a significant difference in the ventricular hemodynamic if the trabeculae are present. The trabeculated model is characterized by an higher compliance with respect to the “smooth” model. Besides, the end-diastolic volume and the stroke volume increase with the trabecular mass, while the trabeculae diameter influences the fibre stress distribution. The ventricular filling is a fundamental parameter in heart functioning; more than the 50% of the patients suffering of heart failure symptoms show a normal ejection fraction and are referred to as diastolic heart failure patients. In this context, the trabeculae can play a fundamental role, since they significantly contribute to the achievement of a physiologic end-diastolic volume and, consequently, a physiologic cardiac output. Furthermore, the myocardial oxygen consumption depends on the cardiac frequency. Since the trabeculated ventricle is able to guarantee a physiologic cardiac output at lower heart rate with respect to the smooth ventricle, these results encourage further studies to investigate a possible enhanced ventricular efficiency determined by the presence of trabeculae at the endocardium.

Le trabecole cardiache sono strutture cilindriche che ricoprono la superficie interna di entrambi i ventricoli caratterizzate da un orientamento assiale delle fibre cardiache. Le trabecole sono organizzate in una struttura complessa, ma sono principalmente orientate in direzione apico-basale. Esse rappresentano una percentuale significativa della massa ventricolare (12%-17%); valori di massa trabecolare superiori al 20% sono considerati indice di patologia cardiaca. Obiettivo della tesi è di studiare il ruolo svolto dalle trabecole nella meccanica cardiaca. Per raggiungere questo obiettivo è stato sviluppato un modello agli elementi finiti del ventricolo sinistro volto a simulare il ciclo cardiaco (Abaqus® 6.10, SIMULIA, Dassault Systémes). E’ stato implementato un modello geometrico semplificato: il ventricolo è stato approssimato da un ellissoide troncato a livello della base; le trabecole, se presenti, sono state descritte come strutture cilindriche situate all’endocardio orientate lungo l’asse ventricolare. Questo ha consentito il confronto di modelli differenti, in particolare con o senza le trabecole. Per valutare l’influenza del diametro delle trabecole e della massa trabecolare sono stati implementati diversi modelli; in tutti i casi la massa muscolare totale e il volume intra-ventricolare sono stati mantenuti costanti. Per modellizzare il comportamento meccanico del tessuto cardiaco è stato scelto un legame costitutivo iperelastico anisotropo. I parametri del materiale sono stati ottimizzati per ottenere una relazione pressione-volume del ventricolo fisiologica durante la fase di riempimento. Le fibre cardiache sono state orientate in modo elicoidale nella parete ventricolare compatta e assialmente nelle trabecole, come da letteratura. La contrazione muscolare è stata simulata imponendo un aumento di rigidezza del materiale secondo una curva che descrive la curva di contrazione di una fibra cardiaca a seguito di una variazione di calcio intracellulare. Per evitare atti di moto rigido della struttura, il ventricolo è stato incastrato a livello della base. Per simulare la fase di diastole è stata imposta una pressione atriale fisiologica, mentre la presenza della circolazione sistemica è stata simulata implementando un adeguato modello RCR a valle del ventricolo. I risultati mostrano un’influenza significativa delle trabecole sull’emodinamica ventricolare: il modello trabecolato è caratterizzato da una complianza significativamente maggiore rispetto al modello “liscio”. Inoltre, il volume di fine diastole e il volume eiettato dal ventricolo aumentano all’aumentare della massa trabecolare, mentre il diametro delle trabecole influenza significativamente lo stato di sforzo della parete ventricolare. Il riempimento ventricolare è un parametro fondamentale nella fisiologia cardiaca; più del 50% dei pazienti affetti da insufficienza cardiaca esibiscono una frazione di eiezione normale, e vengono classificati come affetti da insufficienza cardiaca diastolica. Un altro aspetto fondamentale da considerare è il consumo di ossigeno del miocardio. Quest’ultimo infatti dipende dalla frequenza cardiaca; poiché il modello trabecolato è in grado di garantire una portata cardiaca fisiologica a frequenza cardiaca più bassa rispetto al modello liscio, le trabecole potrebbero contribuire ad aumentare l’efficienza ventricolare.