From pixels to particles: multi-physics meshless model of the heart

Abstract

The functioning of the heart, which main role is pumping blood to the rest of the body, is the result of a complex combination of multi-scale physical processes from the molecular to the tissue level. The predominance of animal experiments to understand the cardiac function has a high cost and associated ethical burden. There is a growing interest for non-invasive ways of extracting measurements. Owing to improvements of numerical methods and computational infrastructure, cardiac models might provide complementary clinically-relevant information in a non-invasive way. The majority of cardiac models use mesh-based numerical techniques, whose performance depends on the construction of a well-defined mesh that represents the high complexity of anatomical structures such as the heart. This thesis presents a derivation of a fully coupled multi-physics meshless model of the heart as an alternative and provides robust evidence of its ability to simulate the heart's behavior as observed in experimental measurements.

El funcionament del cor, que té el paper principal de bombar sang a la resta del cos, és el resultat d’una complexa combinació de processos físics des del nivell molecular fins al teixit. El predomini d'experiments amb animals i humans per a la comprensió de la funció cardíaca tenen un alt cost i una càrrega ètica associada. Hi ha un creixent interès per maneres no invasives d’extreure mesures. A causa de les millores dels mètodes numèrics i de la infraestructura computacional, els models cardíacs poden proporcionar informació complementària clínicament rellevant de manera no invasiva. La majoria dels models cardíacs utilitzen tècniques numèriques basades en malla, el rendiment de les quals depèn de la construcció d’una malla bend efinida que representi l’alta complexitat de les estructures anatòmiques com el cor. Aquesta tesi presenta una derivació d’un model multi-físic sense malla totalment acoblat com a alternativa i proporciona proves robustes de la seva capacitat de simular el comportament del cor, tal com s’observa en les mesures experimentals.