title: Reduced order modeling of aortic valve hemodynamics
Creators: name: Franke, Benedikt
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit
subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: numerical simulation
subject: transvalvular flow
subject: transvalvular pressure gradient
subject: Bernoulli equation
subject: anatomical representations
subject: heart
subject: aorta
subject: aortic valve stenosis
subject: diagnosis
subject: echocardiography
subject: computed tomography

description: Aortic stenosis (AS) is a common valvular heart disease with high prevalence in the elderly population. The disease is progressive and, if left untreated, will eventually lead to heart failure, underscoring the importance of early and accurate diagnosis and appropriate therapy. Grading of AS is primarily assessed by echocardiographic measurement of transvalvular blood velocity. However, examination errors and simplifications in the conversion of flow parameters regularly lead to misinterpretation of AS severity. Computed tomography (CT) only plays a supportive role in the diagnosis of AS, although its high spatial resolution and robustness offer great potential: Recently introduced models for segmentation of cardiac anatomy from CT images have enabled the modeling of patient-specific heart and transvalvular blood flow, and thus the CT-based assessment of AS severity. However, most of the existing models use computationally intensive numerical approaches. Therefore, the aim of this work was to develop a CT-based functional diagnostic method for AS that is simplified by reduced order modeling (ROM) and thus can be used in a clinical setting. For this purpose, representations of the cardiac anatomy of AS patients were extracted from CT images and the patient-specific transvalvular blood flow was calculated using numerical simulations. ROM was used to derive a simplified, nondimensional (0D) model that calculates the pressure drop across the aortic valve based on the patient's peak systolic flow rate and valve orifice area. The model was validated against clinical pressure data and appeared promising as a functional CT-derived method for the diagnosis of AS, although further studies are needed to account for complex valve morphologies and to further investigate the operator bias. Extending the approach to prosthetic heart valves used in the treatment of AS would also facilitate patient-specific therapy planning. As preliminary work, a method for predicting post-interventional hemodynamics based on pre-interventional data was tested: CT-derived representations of the cardiac anatomy of AS patients were virtually treated with two types of prosthetic heart valve models. Hemodynamics were numerically calculated and compared between both models. The virtual treatment approach was successfully validated with clinical data and is planned to be combined with the 0D model in the future to enable patient-specific prediction of the prosthesis hemodynamic function.
description: Die Aorten (klappen) -stenose (AS) ist eine häufig auftretende Herzklappenerkrankung mit hoher Prävalenz in der älteren Bevölkerung. AS verläuft zumeist progressiv und führt unbehandelt zum Herzversagen und somit den Tod des Patienten. Eine frühzeitige und präzise Diagnose, sowie eine adäquate Behandlung sind daher essentiell. Die Graduierung der AS beruht im Wesentlichen auf der echokardiographischen Erfassung der Blutgeschwindigkeit in Klappennähe. Aufgrund von Messfehlern sowie Vereinfachungen bei der Umrechnung von Flussparametern kommt es jedoch regelmäßig zu einer Fehleinschätzung des Schweregrades der AS. Die Computertomographie (CT) spielt in der AS-Diagnostik nur eine unterstützende Rolle, obwohl ihre hohe räumliche Auflösung und Anwendungsrobustheit großes Potenzial für die Funktionsdiagnostik bergen. So wurden in den letzten Jahren verschiedene Verfahren entwickelt, die auf Basis der individuellen CT-vermessenen Herz- und Klappenanatomie die Klappenfunktion bewerten. Die meisten Verfahren sind jedoch äußerst rechenintensiv, was einem Einsatz in der Klinik entgegensteht. Ziel dieser Arbeit war es daher, mit Hilfe des „Reduced Order Modelling“ (ROM) ein einfaches, klinisch anwendbares CT-basiertes Verfahren zur Funktionsdiagnostik bei AS zu entwickeln. Dazu wurden kardiale Anatomien aus CT-Bildern von AS-Patienten segmentiert und der transvalvuläre Blutfluss numerisch berechnet. Auf der Basis von ROM wurde ein vereinfachtes dimensionsloses (0D) Modell abgeleitet, das den Druckabfall über die Aortenklappe auf Basis des systolischen Spitzenflusses und der Klappenöffnungsfläche des Patienten berechnet. Das Modell wurde anhand klinischer Druckdaten validiert und erscheint vielversprechend. Weitere Studien sind jedoch erforderlich, um komplexe Klappenmorphologien (z.B. bikuspidal) mit einzuschließen und den individuellen Einfluss des Anwenders zu untersuchen. Eine Erweiterung des Modells auf prothetische Herzklappen, die bei der Behandlung von AS eingesetzt werden, würde darüber hinaus die patientenspezifische Therapieplanung unterstützen. Zur Vorbereitung wurde eine Methode zur Vorhersage der postinterventionellen Hämodynamik auf Basis präinterventioneller CT-Daten getestet, indem zwei gängige Herzklappenprothesenmodelle virtuell in CT-basierte Darstellungen der Herzanatomie implantiert und die numerisch berechnete Hämodynamik zwischen den beiden Prothesen verglichen wurde. Der virtuelle Behandlungsansatz konnte erfolgreich mit klinischen Daten validiert werden und soll in Zukunft mit dem 0D Diagnosemodell kombiniert werden, um eine individuelle Bewertung der hämodynamischen Funktion der Prothese zu ermöglichen.