Influence of the Dynamic Motion of the Atrial Wall on the Hemodynamics in the Human Left Atrium: A Computational Fluid Dynamics Study

Abstract

Hjerte- og karsykdommer er den ledende dødsårsaken i Europa, der atrieflimmer (AF) er en av de viktigste årsakene, og utbredelsen forventes å øke de kommende årene. Etterspørselen etter bedre diagnostikk og behandling av AF vil derfor øke. Numerisk fluiddynamikk (CFD) blir sett på som en viktig bidragsyter til å forstå hemodynamikken i det kardiovaskulære systemet og hvordan forskjellige hjerte- og karsykdommer påvirker blodstrømmen. CFD-analyse av venstre atrium (LA), den mest kritiske av atriene, har enda ikke nådd klinisk praksis på grunn av flere usikkerheter i modellen. En av disse usikkerhetene er nødvendigheten av å ha en dynamisk modell av LA eller hvis en statisk modell er tilstrekkelig, som denne oppgaven tar i sikte for å svare på.

Fra magnetisk resonansavbildning (MRI) har en pasientspesifikk LA-geometri blitt segmentert i 25 tidstrinn av hjertesyklusen. Det dynamiske meshet i CFD-studien er opprettet ved å bruke bilderegistrering mellom de segmenterte volumene, og et forskyvningsfelt blir generert og påført overflatemeshet. Resultater fra simuleringene innebærer veldig forskjellige strømningsegenskaper i den intraatriale strømningen mellom de statiske og dynamiske tilfellene. Det dynamiske tilfellet viser mer enighet med målt intraatriale strømningsfelt i andre studier. Det statiske tilfellet viser også høyere tendenser til blodstase der risikoen for trombedannelse kan oppstå. To forskjellige geometriske statiske tilfeller ble også sammenlignet og viste liten forskjell i deres egenskaper. Konklusjonen er derfor at en dynamisk LA-modell anbefales for LA CVD-studier. Hvis en statisk modell brukes, er det ingen vesentlig forskjell i hvilket tidstrinn geometrien segmenteres fra.

Resultatene viser imidlertid vanskeligheter med deres konvergens og krever videre studier for å lage en modell nøyaktig nok til å bli brukt i klinisk praksis. Den presenterte dynamiske modellen har også forbedringsområder når det gjelder meshkvalitet.

Cardiovascular Diseases (CVDs) are the leading cause of death in Europe, where Atrial Fibrillation (AF) is one of the major causes, and the prevalence is expected to increase for the coming years. Demand for better diagnostic and treatment of AF is therefore increasing. Computational Fluid Dynamics (CFD) is viewed as an essential contributor to understanding the hemodynamics in the cardiovascular system and how different CVDs impact the blood flow. CFD analysis of the Left Atrium (LA), the most critical of the atria, have not yet reached clinical practice due to several model uncertainties. One of these uncertainties is the necessity of having a dynamic model of the LA or if a static model is sufficient, which this thesis aims to answer.

From Magnetic Resonance Imaging (MRI), a patient-specific LA geometry has been segmented for 25 time-steps in the cardiac cycle. The dynamic mesh in the CFD study is created by using image registration between the segmented volumes, and a displacement field is extracted and applied to the surface mesh of the LA. Results from the simulations imply very different flow characteristics in the intra-atrial flow between the static and dynamic cases. Compared to measured intra-atrial flow field in other studies, the dynamic case shows more agreement. The static case also shows higher tendencies of blood stasis where the risk of thrombus formation may occur. Two different geometrical static cases were also compared and showed little difference in their characteristics. The conclusion is therefore that a dynamic LA model is recommended for LA CVD studies. If a static model is used, there is no substantial difference in which time-step the geometry is extracted from.

The results do, however, exhibit difficulties in their convergence and require further study in order to create a model accurate enough to be used in clinical practice. The dynamic model presented also have areas of improvement concerning mesh quality.