Towards parametric estimation and efficient hemodynamics simulations of cardiac valves

Een nieuw wiskundig model van de aortaklep 

Aortastenose, een vernauwing van de aortaklep van het hart, kan de bloedstroom ernstig beperken en tot levensbedreigende complicaties leiden. Nauwkeurige kennis van de geometrie en dynamica van de klep is essentieel voor de diagnose, de behandeling en het ontwerp van medische hulpmiddelen. Hoewel moderne beeldvormingstechnieken zoals MRI en echografie de bloedstroom kunnen vastleggen, kunnen ze de ingewikkelde structuur van de klep vaak niet volledig weergeven zonder invasieve methoden zoals CT-scans.

In haar proefschrift ontwikkelt Giorgia Pase computationele strategieën om die kloof te overbruggen en draagt zo bij aan het bredere doel om cardiovasculaire digital twins te creëren: gepersonaliseerde computermodellen van het hart van een patiënt die klinische gegevens integreren met op fysica gebaseerde simulaties.

Ten eerste ontwierp Pase een nieuw parametrisch model van de aortaklep om zowel gezonde als stenotische gevallen weer te geven, rekening houdend met de asymmetrie tussen de klepbladen. Ze valideerde het model op tien patiëntspecifieke gevallen. Het model leverde realistische hemodynamische simulaties op en reproduceerde de verwachte relatie tussen drukgradiënten en pieksnelheid.

Ten tweede behandelt Pase het inverse probleem van het schatten van de klepgeometrie op basis van stromingsmetingen. Ze testte een methode op basis van de Reduced Order Unscented Kalman Filter op een vereenvoudigd geval, waarbij ze met succes vormen in gegevensrijke regio's construeerde en tegelijkertijd de uitdagingen op het gebied van parameteridentificeerbaarheid benadrukt.

Ten slotte stelt Pase twee nieuwe fractionele stapoplossers voor om simulaties computationeel efficiënter te maken zonder aan nauwkeurigheid in te boeten, als alternatief voor traditionele monolithische methoden.

Door geometrische modellering, inverse schatting en efficiënte numerieke oplossers te integreren, bevordert dit onderzoek de haalbaarheid van gepersonaliseerde, niet-invasieve aortaklep-reconstructie. Deze ontwikkelingen betekenen een stap in de richting van snellere en nauwkeurigere cardiovasculaire diagnostiek door middel van digital twin-technologie.

Giorgia Pase voerde haar onderzoek uit bij het Bernoulli Institute for Mathematics, Computer Science and Artificial Intelligence, afdeling Technische Mechanica en Numerieke Wiskunde. 

Proefschrift: https://hdl.handle.net/11370/f8300b1d-8bba-45ae-8156-c25462bbf6c3