Model Based Estimation of the Elastomechanical Properties of the Human Heart
Creators: name: Kovacheva, Ekaterina
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Das menschliche Herz ist ein komplexes Organ, in dem verschiedene Phänomene zusammenwirken. Einerseits fließt das Blut durch die Herzkammern und übt Druck auf die Innenflächen aus. Andererseits ist das Herz von einem Herzbeutel umgeben, der die Bewegung der Kammern beeinflusst. Darüber hinaus breiten sich elektrische Wellen durch das Herzgewebe aus und initiieren die Kontraktion des Herzmuskels, welche, addiert zu der passiven Kraft, dem Kammerdruck entgegenwirkt und zur Deformation des Myokards führt. In den letzten Jahren wurden fortschrittliche Computermodelle des Herzens entwickelt und in Simulationsumgebungen integriert, um den menschlichen Herzschlag zu untersuchen. Zusätzlich ermöglicht die rasante Weiterentwicklung der bildgebenden Verfahren in den letzten Jahren die Gewinnung patientenspezifischer Informationen, die auf ein valides Herzmodell übertragen werden können, um Rückschlüsse auf Eigenschaften des Gewebes zu ermöglichen. Informationen über Gewebeeigenschaften können neue Erkenntnisse über die Physiologie und Pathophysiologie des Herzens liefern. Sie können neue Wege zur Diagnose von Krankheiten eröffnen und detaillierte Informationen über Mechanismen des Herzschlages liefern, die auf andere Weise nicht zu erhalten sind. Insbesondere können Computermodelle eingesetzt werden, um elastomechanische Eigenschaften des Herzgewebes zu bestimmen: die passive Kraft, die sich aus den intrinsischen elastischen Materialeigenschaften des Gewebes ergibt und die aktive Kraft (Spannung), die zur Kontraktion des Herzgewebes führt. In dieser Arbeit werden Schritte zur Abschätzung der elastomechanischen Eigenschaften des Herzgewebes vorgestellt und diskutiert. Ein menschliches Ganzherzmodell wurde basierend auf in vivo MRT-Bildern erstellt. Die Deformation des Gewebes wurde mit der Simulationsumgebung \textit{CardioMechanics} simuliert und mit Hilfe von Volumenkurven, regionalen Wanddicken und Deformationsgeschwindigkeiten aus klinischen Daten validiert. Weitere Deformationsmessungen (regionale Dehnungen, Dehnungsraten und Geschwindigkeiten) wurden mit Literaturwerten verglichen, um die Validität des entwickelten gesunden Herzmodells zu demonstrieren. Nachdem ein gültiges Modell erstellt wurde, ist eine Sensitivitätsstudie durchgeführt worden, um den Einfluss der elastomechanischen Eigenschaften auf die Deformationsmessungen zu quantifizieren. Dies war eine Voraussetzung für die modellbasierte Schätzung der elastomechanischen Eigenschaften. In einer weiteren Studie wurde das geometrische Herzmodell modifiziert, um Pathologien zu simulieren, die bei der hypertrophen Kardiomyopathie auftreten. Es wurde gezeigt, welche pathologischen Mechanismen die ventrikuläre Verformung beeinflussen. Nachdem gezeigt wurde, dass die passiven elastomechanischen Eigenschaften des Herzgewebes die Deformationsmessungen des linken Ventrikels beeinflussen, wurden diese Eigenschaften mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens geschätzt. Die Parameter des Modells, das die passive Kraft beschreibt, wurden basierend auf einer Druck-Volumen-Relation aus der Literatur unter Anwendung einfacher und robuster Optimierungsmethoden ermittelt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass eine Zielfunktion, die nur auf dieser Relation basiert, keinen eindeutigen Parametersatz liefern konnte und daher wurde sie um einen zusätzlichen Term erweitert, der ein absolutes Volumenverhältnis beinhaltet. Weiterhin wurde ein dynamisches aktives Kraftfeld aus Bewegungsdaten des linken Ventrikels mit Hilfe eines inversen Lösers rekonstruiert, um eine Sensitivitätsanalyse mit synthetischen Daten durchzuführen. Mit Hilfe einer zusätzlichen räumlichen Regularisierung stimmte die Morphologie der rekonstruierten aktiven Kraftkurve mit der Grundwahrheit überein, während die Amplitude der rekonstruierten Kraft unterschiedlich war. Trotz der Rekonstruktionsfehler in der aktiven Kraft konnten unterschiedlich große Infarktgebiete in der inversen Lösung genau identifiziert werden. Unter Verwendung von endokardialen Bewegungsdaten, die aus klinisch gemessenen Bildern abgeleitet wurden, rekonstruierte die Methode einen aktiven Kraftverlauf. Allerdings sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Methode direkt auf klinische Daten anzuwenden. Insgesamt wurde die Konstruktion eines Herzmodells und die Validierung eines simulierten Herzschlags vorgestellt und Schritte zur Abschätzung der elastomechanischen Eigenschaften des Herzgewebes geliefert. Die beschriebenen Ergebnisse weisen Richtungen für zukünftige Verbesserungen auf und zeigen insbesondere, dass mehr Eingabedaten benötigt werden, um realistische Ergebnisse zu erzielen.