Computational Modeling of Blood Flow Hemodynamics for Biomechanical Investigation of Cardiac Development and Disease

Abstract

The heart is the first functional organ in a developing embryo. Cardiac development continues throughout developmental stages while the heart goes through a serious of drastic morphological changes. Previous animal experiments as well as clinical observations showed that disturbed hemodynamics interfere with the development of the heart and leads to the formation of a variety of defects in heart valves, heart chambers, and blood vessels, suggesting that hemodynamics is a governing factor for cardiogenesis, and disturbed hemodynamics is an important source of congenital heart defects. Therefore, there is an interest to image and quantify the flowing blood through a developing heart. Flow measurement in embryonic fetal heart can be performed using advanced techniques such as magnetic resonance imaging (MRI) or echocardiography. Computational fluid dynamics (CFD) modeling is another approach especially useful when the other imaging modalities are not available and in-depth flow assessment is needed. The approach is based on numerically solving relevant physical equations to approximate the flow hemodynamics and tissue behavior. This approach is becoming widely adapted to simulate cardiac flows during the embryonic development. While there are few studies for human fetal cardiac flows, many groups used zebrafish and chicken embryos as useful models for elucidating normal and diseased cardiogenesis. In this paper, we explain the major steps to generate CFD models for simulating cardiac hemodynamics in vivo and summarize the latest findings on chicken and zebrafish embryos as well as human fetal hearts.

Retrograde flow in aortic isthmus in normal and fetal heart disease by principal component analysis and computational fluid dynamics

“…The hemodynamics of the cardiovascular system have highly complex behavior hinge on the unsteady and time varying nature of circulating blood flow. Abnormal blood flow changes in abnormal blood flow may affect the biomechanical environment within the heart 55,56 . This suggests that the biomechanical environment influences the function of endothelial cells, moreover, the interstitial and smooth muscle cells responsible for heart growth and remodeling.…”

Child’s heart development and contractility from prenatal to postnatal period

“…беременности), когда у эмбриона начинаются первые сокращения сердца [4]. Механизм работы сердца в эмбриональный период связывают с перистальтическими движениями, в которых волна сжатия, порождённая электрической активацией клеток миокарда, распространяется вдоль трубчатого сердца от каудальной части к краниально расположенному оттоку, вызывая движение крови [16,20] и при этом оказывая наибольшую нагрузку в процессе сокращения на внутренние слои мышечной трубки в сравнении с концентрическими наружными слоями [21], что моделирует гистологическую структуру и функцию созревающего сердца [22]. Эмбриональное сердце начинает перекачивать кровь задолго до развития различимых камер и клапанов, при этом на ранних стадиях сердечная трубка, имеющая форму подобно шланговому насосу, реализует вариант сердечной динамики, при которой присасывающее действие производится из-за распространения упругих волн в сердечной трубке [23].…”

“…Наличие клеток крови (гематокрита) [18] и формирование собственно потока крови [22] оказывают комплексное воздействие на регуляцию процессов роста и развития эмбрионального сердца [27]. Возникающая механическая нагрузка [28,29] определяет рост желудочков, процессы формообразования (способствуя созреванию, организации оптимальной архитектуры, спиральному расположению миофибрилл) и функцию на данном этапе развития [30,31].…”

“…Возникающий в данных условиях внутриутробный поток влияет на эмбриональное развитие сердца через трансдукцию сил сдвига на эндотелиальные слои [32]. Изменения картины течения вызывают макроскопические трансформации геометрии сердца, поскольку формирование вихревого кольца обеспечивает стабильное, повторяющееся и предсказуемое движение потока, регулирующего и оптимизирующего кардиогенез [22,33].…”

“…Изучение характеристик потока крови ЛЖ здоровых плодов человека, воздействующих на процессы роста и развития детского сердца во внутриутробный период, свидетельствует о значительных различиях по сравнению с потоками в сердцах взрослых добровольцев из-за особенностей морфологии сердца и повышенной частоты сердечных сокращений. Вращательное течение крови с образованием вихрей и близость стенок к вихревому потоку подвергают структуры сердца воздействию усиленного напряжения сдвига, достигающего 0,4-1,2 Па в фазу диастолы и 1,5-3,9 Па в фазу систолы [22].…”