Modeling Mitral Valve Dynamics: From Experimental Validation to Patient-Specific Simulations

Abstract

The heart consists of four chambers, two atria and two ventricles, separated by four valves that ensure unidirectional blood flow and efficient cardiac function. Among these, the mitral valve regulates blood flow between the left atrium and left ventricle and is one of the most mechanically loaded structures in the heart, stabilized by the chordae tendineae, which are connective structures. Consequently, mitral valve disease can have severe consequences. Approximately 1% of children are born with congenital heart defects, some of which involve mitral valve abnormalities such as stenosis (restricted opening) or regurgitation (leakage). Both conditions can be life-threatening and often require surgical repair. However, predicting post-surgical valve function remains challenging. Patient-specific computational modeling could, in the future, complement imaging modalities such as echocardiography and magnetic resonance imaging (MRI) by providing additional insights into valve function and hemodynamics. Such models may also allow virtual testing of surgical strategies, supporting pre-operative planning and personalized treatment.
This thesis represents an initial step toward developing and validating a computational model capable of predicting mitral valve function and flow dynamics following surgical intervention. The model is based on fluid-structure interaction (FSI), which couples solid and fluid mechanics to capture the interplay between blood flow and valve motion.
In Study I, a simplified left heart phantom was developed to provide experimental data for model validation. The setup was exposed to pulsatile flow under physiological conditions, while valve opening, velocity, and pressure were measured using echocardiography, MRI, and pressure probes. The system demonstrated minimal cycle-to-cycle variation. The resulting dataset was made publicly available to support future validation efforts of cardiac-inspired FSI models. In Study II, the same geometry and flow conditions were used in computational simulations to validate the developed FSI framework. The simulated transmitral velocities and pressure differences showed good agreement with the experimental data, with clinically acceptable error margins. Qualitative comparisons of flow streamlines further confirmed the model’s ability to reproduce realistic hemodynamic patterns.
Building on this, Study III extended the framework to simulate mitral valve function in healthy humans. Echocardiographic data from ten volunteers were used to generate patient-specific valve geometries and derive individualized flow boundary conditions from left ventricular volume measurements. The simulated results matched echocardiographic observations throughout the cardiac cycle, confirming that the model captured valvular motion and hemodynamics in the atrium and ventricle. With a validated pipeline for patient-specific simulations, Study IV applied the model to pediatric patients with mitral regurgitation. Pre- and post-operative echocardiograms were used to reconstruct valve geometries before and after surgery. Simulated hemodynamics and valve function were compared with echocardiographic data, demonstrating the model’s ability to reproduce clinically relevant parameters used to grade regurgitation. Finally, Study V explored biomechanical parameters, specifically valve strain and chordal forces, as potential diagnostic indicators. Significant differences in leaflet strain were found between healthy and regurgitant valves, while regurgitant valves exhibited higher diastolic chordal forces, suggesting leaflet tethering and altered loading conditions.
In summary, the overarching aim of this thesis was to develop and validate a clinically feasible FSI framework for patient-specific modeling of mitral valve function and hemodynamics. The work demonstrates both the challenges and potential of modeling the complex interaction between blood flow and valve motion. It also illustrates the value of simulation-based approaches for improving understanding of valve mechanics and evaluating surgical repair strategies. This framework represents an important step toward a computational tool that could assist clinicians in planning and optimizing mitral valve repair.

Abstract (Swedish)

Hjärtat består av fyra hålrum; två kammare och två förmak, som separeras av fyra hjärtklaffar. Dessa säkerställer att blodet enbart flödar åt ett håll och ger därmed hjärtat förutsättningarna för effektiv pumpning av blodet. Mitralisklaffen är en av dessa fyra hjärtklaffar och separerar vänster förmak från vänster kammare, vilket gör att den utsätts för det högsta trycket i hjärtat. För att mitralisklaffen ska kunna motstå detta höga tryck finns rep-liknande strukturer som kallas chordae tendineae, vilka stabiliserar klaffen. Sjukdomar som påverkar mitralisklaffen kan därför ha ödesdigra konsekvenser. Ungefär 1% av alla barn föds med hjärtfel, där vissa patienter även drabbas av sjukdomar som påverkar just mitralisklaffen. Detta kan yttra sig i form av en stenos, vilket innebär att klaffen öppnas restriktivt och utövar en obstruktion för blodflödet, eller i form av en regurgitation, som innebär att den läcker blod tillbaka till förmaket. Båda tillstånden behöver oftast åtgärdas kirurgiskt, s.k. klaffplastik. Detta innebär ett komplext ingrepp och det är ibland svårt att förutspå operationsresultatet. Patient-specifika datormodeller hade därför i framtiden kunnat användas för att komplettera dagens ultraljud och magnetröntgen för att få en bättre förståelse av klaffunktionen och hemodynamiken. Dessa typer av modeller skulle också kunna möjliggöra virtuell testning av olika ingrepp innan operation, för att bättre kunna avgöra vilket ingrepp som är bäst för patienten.
I den här avhandlingen har en sådan datormodell utvecklats och validerats, med syfte att kunna prediktera klaffunktion och hemodynamiken efter klaffplastik. Datormodellen är baserat på fluid-struktur interaktion, vilket innebär att man matematiskt med hjälp av hållfasthetslära och flödesmekanik kan modellera hur blodet påverkar klaffen och hur klaffen i sin tur påverkar blodflödet.
I den första delstudien byggdes en experimentell uppsättning av en förenklad hjärtmodell, där noggranna mätningar av parametrar relevanta för utvärderingen av klaffunktion utfördes. I delstudie två utvecklades sedan datormodellen för att simulera den experimentella uppställningen från delstudie ett, där simuleringsresultaten jämfördes mot de experimentella mätningarna. Detta möjliggjorde en välkontrollerad validering där parametrar viktiga för utvärderingen av klaffunktionen kunde undersökas. Valideringen visade att datormodellen i detta tillrättalagda fall kan uppskatta trycket över klaffen och flödets hastighet genom klaffen med hög noggrannhet.
I den tredje delstudien vidareutvecklades datormodellen för att simulera mänskliga mitralisklaffar hos friska frivilliga. Baserat på 3D ultraljudsbilderna av klaffen kunde patient-specifika datormodeller utvecklas. Simuleringsresultaten utvärderades mot mätningar på klaffunktion och visade åter igen att vi kan uppskatta hastigheten genom klaffen med en felmarginal liten nog för kliniskt användande. Dessutom är simuleringarna baserade på ultraljudsbilder, som tas på alla patienter som utreds för hjärtfel, vilket ökar den kliniska impelementerbarheten.
I den fjärde delstudien applicerades datormodellen på klaffar från barn med hjärtfel. Mitralisklaffen simulerades både i sitt preoperativa tillstånd och i sitt postoperativa tillstånd baserat på ultraljudsbilder. Klaffens funktion och hemodynamiken jämfördes sedan mot uppmätta ultraljudsdata tagen före och efter operationen för utvärdering av modellen. Utvärderingen gjordes baserat på parametrar man i kliniken använder för att utvärdera och gradera klaffsjukdom, för att visa på potentialen för kliniskt användande. Detta lade grunden för den sista och femte delstudien där klaffens töjningar (som är ett mått på klaffens deformation) och krafterna i chodrae jämfördes mellan friska och sjuka mitralisklaffar. Det undersöktes huruvida dessa numeriska mått har potentialen att användas som diagnostiska parametrar för att identifiera klaffsjukdom.
I den här avhandlingen har en datormodell för patientspecifika simuleringar av mitralisklaffen före och efter operation stegvis utvecklats och validerats. Den har visat sig ha potential för framtida klinisk implementation och har potentialen att i framtiden bistå som verktyg för att möjliggöra både en bättre förestående av klaffunktionen samt förberedelse inför en klaffplastik och därmed öka chanserna för ett lyckat ingrepp.

• author: Christierson, Lea
• supervisor: Nina Hakacova; Hanna Isaksson; Johan Revstedt; Petru Liuba
• opponent: Assoc. Prof. Votta, Emiliano, Politecnico di Milano, Italy.
• organization: Children cardiology (research group); Division for Biomedical Engineering; LTH Profile Area: Engineering Health
• alternative title: Att modellera mitralisklaffen: Från experimentell validering till patientspecifika simuleringar
• publishing date: 2025-10-17
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Modelling and Simulation
• pages: 180 pages
• defense location: Lecture Hall E:1406, building E, Ole Römers väg 3, Faculty of Engineering LTH, Lund University, Lund. The dissertation will be live streamed, but part of the premises is to be excluded from the live stream. Zoom: https://lu-se.zoom.us/j/61476728288
• defense date: 2025-11-14 09:00:00
• ISBN: 978-91-8104-677-9
• ISBN: 978-91-8104-678-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b30bb527-9ddd-4548-91c5-e1a5194fd4e4
• date added to LUP: 2025-10-17 15:40:51
• date last changed: 2025-11-04 14:33:30