Electromechanical Modeling and Simulation of Thin Cardiac Tissue Constructs

Frotscher, Ralf

In dieser Arbeit wird ein Aufblasversuch für in vitro Herzgewebe im Rahmen der Finite Elemente Methode (FEM) modelliert und simuliert. Ziel ist dabei insbesondere die Simulation von Medikamentenwirkung auf auto-kontraktile Herzgewebe bestehend aus von human-induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleiteten Kardiomyozyten und der Abgleich mit hausinternen experimentellen Resultaten und mit Literaturdaten. Für das sehr dünne Kompositmaterial wird ein Schalenmodell aufgestellt und mit Hodgkin-Huxley basierten Differentialgleichungssystemen gekoppelt, die die zelluläre Elektrophysiologie beschreiben. Zusätzlich wird die kanten-basiert geglättete FEM auf ihre Anwendbarkeit auf biomechanische Schalenprobleme hin untersucht. Diese Methode glättet die elementweise konstanten, kompatiblen Dehnungen über Elementgrenzen hinweg und erreicht so eine höhere Genauigkeit, als die Standard FEM. Darüberhinaus eignet sie sich in besonderem Maße für die Berechnung auf stark verzerrten Elementen, die bei automatischer Netzgenerierung für anatomische Strukturen häufig entstehen. Zunächst werden die verwendeten Schalen- und FE-Theorien, die elektromechanischen Grundlagen von Herzgeweben, sowie von Medikamentenwirkung und einschlägige Modelle vorgestellt. Im Anschluß wird das Modell auf den Aufblasversuch angewandt, an dem die Qualität und die Fähigkeit des Modellsdikamentenwirkung auf Herzgewebe vorherzusagen, validiert und beurteilt werden.

This work models and simulates an inflation test for in vitro cardiac tissues in the framework of the Finite Element Method (FEM). It focuses on the simulation of drug treatment of autonomously beating cardiac tissue consisting of human-induced pluripotent stem cell-derived cardiac myocytes and the validation based on in-house experimental results and on literature data. The ultra-thin composite material is modeled as a shell that is coupled with Hodgkin-Huxley based systems of differential equations describing the cellular electrophysiology. Additionally, the edge-based smoothed FEM is investigated concerning its applicability to biomechanical plate problems. This method achieves a higher accuracy than the standard FEM by smoothing the element-wise constant compatible strains over the edges of the finite element mesh. It is especially beneficial in the computation of strongly distorted elements that are often created by automatic meshing of anatomical structures. The thesis starts by introducing the employed plate and FE theories, the electromechanical basics of cardiac tissue as well as of drug treatment and corresponding computational models. The model is then applied to the inflation test that serves as the validation basis for the quality and the ability of the model to predict drug effects on cardiac tissue.

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Frotscher, Ralf: Electromechanical Modeling and Simulation of Thin Cardiac Tissue Constructs. 2016.

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