Publication: Towards the numerical simulation of the filling process of the left ventricle of the heart
Loading...
Identifiers
Publication date
2010-10
Defense date
2010
Authors
Tutors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Impact
Export
Abstract
Heart failure is a leading cause of death nowadays. A high proportion of patients with heart failure experience asynchronous myocardial contraction. Cardiac resynchronization therapy is intended to reestablish the synchrony in the motion of the ventricles. However, about 40% of the patients do not respond favorable to this therapy for reasons that are not fully understood. A better knowledge of the ventricular flow under controlled synchrony condition is needed to understand the benefits of cardiac resynchronization therapy. The flow of blood generated by the heart is the result of synchronized electromechanical events and fluid dynamics processes. During diastole, filling period of the cardiac cycle, the fluid dynamics of the left ventricle are governed by a large vortex ring that contributes to an efficient channeling of the blood coming from the mitral valve and prevents blood stagnation, helping to wash out the blood mass coming into the left ventricle. The ultimate outcome expected from this research is to understand the dependence of the time evolution of this vortex on the duration of the left ventricle filling phases, and to determine how this dependence affects the blood flow transport in the left ventricle and global ventricular function. This work is part of an interdisciplinary project involving experts from different fields, ranging from cardiology, echocardiography and magnetic resonance imaging, to fluid dynamics, computational mechanics and image processing. The specific aim of this thesis is to develop a numerical code in FORTRAN95 to simulate the filling process of the left ventricle of the heart in order to study ventricular hemodynamic before and after the implantation of biventricular pacers. From the numerical point of view, a key factor of the flow that needs to be modeled is the existence of moving boundaries. The immersed boundary method implemented here allows us to deal with moving geometries in Cartesian structured grids, thereby requiring significantly less computational time than competing methods without sacrificing accuracy. A 2D flow solver based on finite differences in a standard geometry has been developed. The idea is to start with a simple problem where the complexity can be increased step by step. Computationally efficient algorithms have been used to integrate in time the Navier- Stokes equations and to solve the linear system of equations resulting from the spatiotemporal discretization. The capabilities and limitations of the numerical code have been illustrated by applying the code to canonical flow problems. To reach the final aim of simulating numerically the filling process of the left ventricle of the heart, the present code should be extended to three dimensions, refined and parallelized to allow for multi-processors simulations. ______________________________________________________
Las enfermedades cardiovasculares son una de las principales causas de muerte en el mundo actual. El latido asíncrono del ventrículo izquierdo y derecho del corazón es el responsable de una proporción importante de los fallos cardiacos. La Terapia de Resincronización Cardíaca mejora la coordinación de las contracciones del corazón mediante marcapasos que estimulan ambos ventrículos (marcapasos biventriculares) para que se contraigan de manera simultánea. En torno al 40% de los pacientes no responden adecuadamente a esta terapia. Por ello es muy importante entender mejor cómo es el transporte de sangre en el corazón. El flujo que se produce en el corazón es el resultado de la sincronización de una serie de eventos electromecánicos y procesos fluidodinámicos. Durante la diástole, periodo del ciclo cardiaco durante el cual se produce el llenado del corazón, la fluidodinámica del ventrículo izquierdo está gobernada por un vórtice que contribuye a canalizar la sangre que viene de la válvula mitral y evita el estancamiento de la misma en el ventrículo. El propósito final de esta investigación es entender la dependencia de la evolución temporal de este vórtice durante el periodo de llenado del ventrículo y determinar cómo afecta al transporte de flujo sanguíneo en el ventrículo izquierdo y a la función ventricular global. El trabajo que aquí se presenta es parte de un proyecto interdisciplinar en el que están involucrados expertos de diferentes campos, abarcando desde cardiología y eco-cardiografía hasta fluidodinámica, mecánica computacional y procesado de imágenes. El objetivo particular de este trabajo está dentro del desarrollo de un código numérico en FORTRAN95 para simular el proceso de llenado del ventrículo izquierdo del corazón que ayudará a entender mejor los cambios en la dinámica ventricular antes y después de la implantación de marcapasos biventriculares. Este proyecto da los primeros pasos hacia dicho objetivo. Desde el punto de vista numérico, el primer asunto a superar es la existencia de fronteras que se mueven. El método de las fronteras embebidas usado aquí, permite tratar dicha geometría en mallas estructuras que no se adaptan al cuerpo requiriendo menor coste computacional que otros métodos. Se ha desarrollado un modelo para resolver un flujo bidimensional para una geometría estándar. La idea es comenzar con un problema sencillo al que se pueden ir incorporando las complejidades inherentes al problema a modelar. Se ha utilizado un algoritmo computacionalmente eficiente para integrar en el tiempo las ecuaciones de Navier- Stokes y para resolver el sistema lineal de ecuaciones que resulta de la discretización espaciotemporal. Las capacidades y limitaciones del código numérico se ilustran por medio de una serie de ejemplos. Para alcanzar el objetivo final de simular numéricamente el llenado del ventrículo izquierdo del corazón, el código desarrollado tiene que ser extendido a tres dimensiones, refinado y paralelizado para permitir simulaciones con procesadores múltiples.
Las enfermedades cardiovasculares son una de las principales causas de muerte en el mundo actual. El latido asíncrono del ventrículo izquierdo y derecho del corazón es el responsable de una proporción importante de los fallos cardiacos. La Terapia de Resincronización Cardíaca mejora la coordinación de las contracciones del corazón mediante marcapasos que estimulan ambos ventrículos (marcapasos biventriculares) para que se contraigan de manera simultánea. En torno al 40% de los pacientes no responden adecuadamente a esta terapia. Por ello es muy importante entender mejor cómo es el transporte de sangre en el corazón. El flujo que se produce en el corazón es el resultado de la sincronización de una serie de eventos electromecánicos y procesos fluidodinámicos. Durante la diástole, periodo del ciclo cardiaco durante el cual se produce el llenado del corazón, la fluidodinámica del ventrículo izquierdo está gobernada por un vórtice que contribuye a canalizar la sangre que viene de la válvula mitral y evita el estancamiento de la misma en el ventrículo. El propósito final de esta investigación es entender la dependencia de la evolución temporal de este vórtice durante el periodo de llenado del ventrículo y determinar cómo afecta al transporte de flujo sanguíneo en el ventrículo izquierdo y a la función ventricular global. El trabajo que aquí se presenta es parte de un proyecto interdisciplinar en el que están involucrados expertos de diferentes campos, abarcando desde cardiología y eco-cardiografía hasta fluidodinámica, mecánica computacional y procesado de imágenes. El objetivo particular de este trabajo está dentro del desarrollo de un código numérico en FORTRAN95 para simular el proceso de llenado del ventrículo izquierdo del corazón que ayudará a entender mejor los cambios en la dinámica ventricular antes y después de la implantación de marcapasos biventriculares. Este proyecto da los primeros pasos hacia dicho objetivo. Desde el punto de vista numérico, el primer asunto a superar es la existencia de fronteras que se mueven. El método de las fronteras embebidas usado aquí, permite tratar dicha geometría en mallas estructuras que no se adaptan al cuerpo requiriendo menor coste computacional que otros métodos. Se ha desarrollado un modelo para resolver un flujo bidimensional para una geometría estándar. La idea es comenzar con un problema sencillo al que se pueden ir incorporando las complejidades inherentes al problema a modelar. Se ha utilizado un algoritmo computacionalmente eficiente para integrar en el tiempo las ecuaciones de Navier- Stokes y para resolver el sistema lineal de ecuaciones que resulta de la discretización espaciotemporal. Las capacidades y limitaciones del código numérico se ilustran por medio de una serie de ejemplos. Para alcanzar el objetivo final de simular numéricamente el llenado del ventrículo izquierdo del corazón, el código desarrollado tiene que ser extendido a tres dimensiones, refinado y paralelizado para permitir simulaciones con procesadores múltiples.
Description
Keywords
Dinámica de fluidos, Fluidodinámica, Cardiología, Ingeniería biomédica, Mecánica computacional