Computational study of the impact of disorders in excitation propagation on left ventricular contraction
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Tato disertační práce se zabývá výpočtovým modelováním kontrakce levé srdeční komory pomocí metody konečných prvků. Primárním cílem práce je vyhodnotit vliv blokády levého Tawarova raménka na ejekční frakci komory. Dále je vyšetřován dopad blokády na pohyby komory během srdečního cyklu, na lokální hodnoty přetvoření a na rozložení napětí ve stěně. Průběh elektrické aktivace jak zdravé komory, tak i komory s blokádou je modelován pomocí monodoménové rovnice svázané s pseudo-modelem buněčné membrány, který byl navržen za účelem snížení výpočetní náročnosti monodoménové rovnice. Rychlost šíření vzruchu v myokardu je uvažována ortotropní. Vypočítané časové průběhy elektrické aktivace ukazují, že blokáda levého Tawarova raménka prodlužuje dobu depolarizace komory o 50 %, což je v souladu s udávanými délkami trvání QRS komplexu na EKG u zdravých jedinců a u pacientů s blokádou. Průběhy elektrické aktivace jsou následně využity v simulacích kontrakce komory pro předepsání počátku kontrakce jednotlivých prvků sítě. Pasivní mechanická odezva myokardu je v těchto simulacích popsána pomocí ortotropního hyperelastického modelu. Aktivní napětí vyvolané svalovou kontrakcí je do modelu zahrnuto prostřednictvím časově závislého tenzoru aktivního přetvoření. Do počáteční konfigurace modelu, reprezentující stav komory na konci diastoly, je před zahájením kontrakce zahrnuto předpětí odpovídající end-diastolickému tlaku v komoře. Časový průběh komorového tlaku během ejekční fáze je modelován pomocí dvouparametrického modelu Windkessel. Výsledky simulací ukazují, že blokáda levého Tawarova raménka nesnižuje významně čerpací schopnost komory. Predikovaný pokles ejekční frakce v důsledku blokády činí pouze 2,3 %, což je v souladu s některými publikovanými klinickými výsledky. Vypočítané časové průběhy posuvů a přetvoření ve vybraných místech modelu taktéž vykazují některé charakteristiky popisované klinickými nebo experimentálními studiemi. V oblasti mezikomorového septa byly pozorovány výrazně vyšší hodnoty napětí než v ostatních částech komory; tyto výsledky však bude nutné ověřit dalšími výpočty, neboť v současném modelu není septum zatíženo silovými účinky vyvolanými kontrakcí pravé komory.
This doctoral thesis deals with computational modeling of contraction of human left ventricle using finite element method. The primary goal is to determine the impact of the left bundle branch block on ventricular ejection fraction. Additionally, changes in ventricular motions, strains and stress distribution, resulting from the block, are also investigated. Electrical activation of left ventricle under healthy conditions and during the branch block is modeled by the monodomain equation coupled with an artificial ionic model designed to reduce the computational demands of the monodomain equation. Conduction velocity in myocardium is considered orthotropic. Calculated activation maps show that the left bundle branch block prolongs electrical activation by 50 % which agrees with clinically observed prolongation of the QRS complex on ECG. The activation maps are subsequently used in the simulations of ventricular mechanics to distribute the beginning of contraction throughout the finite-element mesh. Passive mechanical behavior of myocardium is described by an orthotropic hyperelastic model. Active stresses, induced by muscle contraction, are incorporated by means of the time-dependent active strain tensor. Contraction starts from a prestressed reference configuration representing the end-diastolic state of the ventricle. Pressure development during ejection phase is controlled by two-parametric Windkessel model. Results indicate that the left bundle branch block does not substantially reduce the pumping efficiency of the ventricle; ejection fraction in the diseased state decreased by only 2.3 % relative to the healthy conditions which agrees with some of the previously published clinical studies. Changes in displacements and strains, predicted by the model, correspond with clinical and experimental observations. Stress analyses revealed unexpectedly high stresses in the interventricular septum; further analyses with modified boundary conditions have been suggested in order to better assess these result.
This doctoral thesis deals with computational modeling of contraction of human left ventricle using finite element method. The primary goal is to determine the impact of the left bundle branch block on ventricular ejection fraction. Additionally, changes in ventricular motions, strains and stress distribution, resulting from the block, are also investigated. Electrical activation of left ventricle under healthy conditions and during the branch block is modeled by the monodomain equation coupled with an artificial ionic model designed to reduce the computational demands of the monodomain equation. Conduction velocity in myocardium is considered orthotropic. Calculated activation maps show that the left bundle branch block prolongs electrical activation by 50 % which agrees with clinically observed prolongation of the QRS complex on ECG. The activation maps are subsequently used in the simulations of ventricular mechanics to distribute the beginning of contraction throughout the finite-element mesh. Passive mechanical behavior of myocardium is described by an orthotropic hyperelastic model. Active stresses, induced by muscle contraction, are incorporated by means of the time-dependent active strain tensor. Contraction starts from a prestressed reference configuration representing the end-diastolic state of the ventricle. Pressure development during ejection phase is controlled by two-parametric Windkessel model. Results indicate that the left bundle branch block does not substantially reduce the pumping efficiency of the ventricle; ejection fraction in the diseased state decreased by only 2.3 % relative to the healthy conditions which agrees with some of the previously published clinical studies. Changes in displacements and strains, predicted by the model, correspond with clinical and experimental observations. Stress analyses revealed unexpectedly high stresses in the interventricular septum; further analyses with modified boundary conditions have been suggested in order to better assess these result.
Description
Citation
VAVERKA, J. Computational study of the impact of disorders in excitation propagation on left ventricular contraction [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Inženýrská mechanika
Comittee
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (předseda)
doc. Dr. Ing. Eduard Rohan, DSc. (člen)
doc. Ing. Lukáš Horný, Ph.D. (člen)
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Ing. Jiří Šimurda, CSc. (člen)
Date of acceptance
2023-06-16
Defence
Komise konstatuje, že předložená práce řeší velmi komplexní problém biomechaniky, splnila zadané cíle a otevírá současně řadu dalších otázek a možných směrů budoucího výzkumu.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení