Advanced

Adaptation of existing cardiovascular simulation model to cardiac pumping physiology

Törner, Emma LU (2017) BMEM01 20171
Department of Biomedical Engineering
Abstract
Cardiovascular diseases, affecting the heart and blood vessels, are the most common cause of death globally. However, the risk of suffering from a cardiovascular disease could decrease significantly as research improve treatment and identification of symptoms. One way to increase our knowledge and improve education of the cardiovascular system is to develop mathematical simulation models. This thesis project will attend the subject of cardiovascular modeling by analyzing an already implemented simulation model, the CircAdapt model. The project aim to thoroughly analyze the model from a physiological perspective and to derive the mathematical equations constituting the model. In addition to the analysis, extensions to the model have been... (More)
Cardiovascular diseases, affecting the heart and blood vessels, are the most common cause of death globally. However, the risk of suffering from a cardiovascular disease could decrease significantly as research improve treatment and identification of symptoms. One way to increase our knowledge and improve education of the cardiovascular system is to develop mathematical simulation models. This thesis project will attend the subject of cardiovascular modeling by analyzing an already implemented simulation model, the CircAdapt model. The project aim to thoroughly analyze the model from a physiological perspective and to derive the mathematical equations constituting the model. In addition to the analysis, extensions to the model have been developed, with the purpose of improving the model structure of the heart to anatomy and known qualities of cardiac pumping. Conclusions of the thesis are that the CircAdapt model well describes the dynamics of the cardiovascular system and consider both physical and physiological properties in its construction. Model limitations in the aspect of cardiovascular physiology have been identified. However, the highest physiological accuracy is the second priority after numerical stability, which can be hard to achieve when working with biomedical modeling. Several adaptations have been executed to improve heart anatomy and physiology. The adaptations differ in accuracy and are in need of future work to improve model stability. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Hjärtat - En muskelpump ur ett matematiskt perspektiv

Hjärtat pumpar blod ut i kroppen mellan 40 och 100 gånger per minut. Drygt en tredjedel av alla dödsfall orsakas av hjärt- och kärlsjukdomar och ett sjukt hjärta kan därmed leda till fatala konsekvenser. Hjärt- och kärlsjukdomar är följaktligen den vanligaste dödsorsaken globalt och i Sverige.

Kroppens cirkulationssystem, som består av hjärta och blodkärl, är ett komplext system där vår kunskap och förståelse för dess funktion är livsviktigt för att identifiera och behandla hjärt- och kärlsjukdomar. Ett sätt att analysera och öka våra kunskaper om hjärtat och blodcirkulationen är att utveckla matematiska modeller.

En matematisk modell är att sätt att utnyttja matematik och... (More)
Hjärtat - En muskelpump ur ett matematiskt perspektiv

Hjärtat pumpar blod ut i kroppen mellan 40 och 100 gånger per minut. Drygt en tredjedel av alla dödsfall orsakas av hjärt- och kärlsjukdomar och ett sjukt hjärta kan därmed leda till fatala konsekvenser. Hjärt- och kärlsjukdomar är följaktligen den vanligaste dödsorsaken globalt och i Sverige.

Kroppens cirkulationssystem, som består av hjärta och blodkärl, är ett komplext system där vår kunskap och förståelse för dess funktion är livsviktigt för att identifiera och behandla hjärt- och kärlsjukdomar. Ett sätt att analysera och öka våra kunskaper om hjärtat och blodcirkulationen är att utveckla matematiska modeller.

En matematisk modell är att sätt att utnyttja matematik och fysikaliska principer för att beskriva hur ett system fungerar. Modellen konstrueras utefter kända kunskaper om det verkliga systemet och bidrar sedan med en, av systemet, förenklad bild. Idag finns flera matematiska modeller över människans cirkulationssystem som används i syfte att bidra till utbildning och forskning. Under examensarbetet har fokus legat på CircAdaptmodellen, som är en matematisk modell över cirkulationssystemet.

Att betrakta cirkulationssystemet matematiskt leder ofta till en prioritering av modellens funktion framför dess noggrannhet och korrekthet. Att en modell når en fysiologiskt rimlig lösning betecknas som en stabil modell, vilket ofta är svårt att åstadkomma när man modellerar fysiologiska system. Trots detta kan matematiska modeller komma att bli en tillgång inom forskning och behandling av hjärt- och kärlsjukdomar. Direkt ställs då kravet på bättre och mer korrekta modeller.

Det är numera känt från magnetresonanstomografi att hjärtats pumpning kan delas in i två komponenter. En kramande pumpning och en pumpning av blod längs med hjärtat likt en cykelpump. Den cykelpumpsliknande pumpningen av blod i hjärtat är viktig för hjärtats effektivitet och funktion och kan indikera risker för hjärtproblem. Trots detta är hjärtats pumpning något som ofta förenklas för mycket i matematiska modeller. Examensarbetet har därför utförts i syfte att analysera CircAdaptmodellen för att förstå dess funktion och uppbyggnad. Därefter har modellen adapterats för att på ett mer korrekt sätt modellera hjärtats uppbyggnad och dess pumpning.

CircAdaptmodellen som analyserats under examensarbetet är bra nog att bidra till kunskap och förståelse kring hjärtats uppbyggnad och funktion. Att utveckla modellens matematiska beskrivning av hjärtats pumpning är följaktligen viktigt för att utvidga modellens användningsområde. Examensarbetet har tagit ett första steg i den här utvecklingen genom att förbättra modellens beskrivning av hjärtats anatomi och pumpfunktion. Flera förändringar har gjort med varierad framgång och vidare arbete behövs. Slutsatsen är att det är svårare än man tror att nå en både korrekt och stabil modell när man modellerar hjärtat matematiskt. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Törner, Emma LU
supervisor
organization
course
BMEM01 20171
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
The CircAdapt model, biomedical modeling, cardiovascular, cardiac pumping, simulation
language
English
additional info
2017-14
id
8920299
date added to LUP
2017-07-06 16:17:27
date last changed
2017-07-06 16:17:27
@misc{8920299,
  abstract     = {Cardiovascular diseases, affecting the heart and blood vessels, are the most common cause of death globally. However, the risk of suffering from a cardiovascular disease could decrease significantly as research improve treatment and identification of symptoms. One way to increase our knowledge and improve education of the cardiovascular system is to develop mathematical simulation models. This thesis project will attend the subject of cardiovascular modeling by analyzing an already implemented simulation model, the CircAdapt model. The project aim to thoroughly analyze the model from a physiological perspective and to derive the mathematical equations constituting the model. In addition to the analysis, extensions to the model have been developed, with the purpose of improving the model structure of the heart to anatomy and known qualities of cardiac pumping. Conclusions of the thesis are that the CircAdapt model well describes the dynamics of the cardiovascular system and consider both physical and physiological properties in its construction. Model limitations in the aspect of cardiovascular physiology have been identified. However, the highest physiological accuracy is the second priority after numerical stability, which can be hard to achieve when working with biomedical modeling. Several adaptations have been executed to improve heart anatomy and physiology. The adaptations differ in accuracy and are in need of future work to improve model stability.},
  author       = {Törner, Emma},
  keyword      = {The CircAdapt model,biomedical modeling,cardiovascular,cardiac pumping,simulation},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Adaptation of existing cardiovascular simulation model to cardiac pumping physiology},
  year         = {2017},
}