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Type: Tese
Title: Modelagem da perfusão cardíaca em exames de ressonância magnética com contraste
Author: Alves, João Rafael
First Advisor: Santos, Rodrigo Weber dos
Co-Advisor: Queiroz, Rafael Alves Bonfim de
Co-Advisor: Bär, Markus
Referee Member: Rocha, Bernardo Martins
Referee Member: Chapiro, Grigori
Referee Member: Loula, Abimael Fernando Dourado
Referee Member: Blanco, Pablo Javier
Resumo: Esta tese apresenta dois modelos matemáticos que descrevem a dinâmica de um agente de contraste (AC) no miocárdio em um exame de ressonância magnética (RM) de perfusão. Este exame oferece informações importantes a respeito de quadros clínicos de isquemia e infarto: a perfusão em diferentes regiões, a condição de estruturas microvasculares, a presença de brose e o volume relativo de espaço extracelular. Esta informação é obtida inferindo a dinâmica do contraste no tecido do miocárdio a partir das imagens obtidas. A avaliação destes parâmetros siológicos tem um papel importante na análise da viabilidade do miocárdio. Entretanto, a natureza da siologia cardíaca impõe grandes desafios na estimação destes parâmetros. Brevemente, estes parâmetros são atualmente estimados qualitativamente através da inspeção de imagens e comparação do brilho relativo entre diferentes regiões do coração. Portanto, ha um grande interesse por técnicas que possam ajudar a quantificar a perfusão cardíaca. Nesta tese, são propostos dois novos modelos matemáticos que descrevem a dinâmica espaço-temporal do AC. O primeiro e um modelo contínuo multidomínio baseado no escoamento em meios porosos, e o segundo é um modelo acoplado, que substitui o domínio intravascular contínuo por um domínio discreto de árvores arteriais. Ambos se baseiam em sistemas de equações diferenciais parciais. Há de se obter os pers de pressão e velocidade do miocárdio, o modelo contínuo faz uso da lei de Darcy em meios porosos, ao passo que o modelo acoplado utiliza a lei de Poiseuille. A dinâmica do AC e descrita através de equações de reação-difusão-advecção nos espaços intravascular e intersticial. A interação de brose e AC e também é considerada. Os modelos detêm os domínios como um meio anisotrópico e também retratam a recirculação do AC. Os parâmetros dos modelos foram ajustados com base na tentativa-e-erro para reproduzir dados clínicos. Alem disso, simularam-se diferentes cenários: perfusão normal; isquemia endocárdica devido a uma estenose; e infarto do miocárdio. Assim sendo, o modelo computacional foi capaz de relacionar características anatômicas, estenoses e a presença de brose com características funcionais (perfusão cardíaca). Os resultados obtidos sugerem que ambos modelos podem apoiar o processo não invasivo de quanti ficação da perfusão cardíaca.
Abstract: This thesis presents two mathematical models to describe the dynamics of a contrast agent (CA) in the myocardium in a cardiac magnetic resonance imaging (MRI) perfusion exam. This exam provides important information on ischemia and infarct: the perfusion on di erent regions, the status of microvascular structures, the presence of brosis and the relative volume of extracellular space. This information is obtained by inferring the dynamics of the contrast in the myocardial tissue from the acquired images. The evaluation of these physiological parameters plays an important role in the assessment of myocardial viability. However, the nature of cardiac physiology poses great challenges in the estimation of these parameters. Brie y, these are currently estimated qualitatively via visual inspection of images and comparison of relative brightness between di erent regions of the heart. Therefore, there is a great urge for techniques that can help to quantify cardiac perfusion. In this thesis, two new mathematical models that describes the spatio-temporal dynamics of the CA are proposed. The rst is a continuum multidomain model based on ow in porous media, and the second is a coupled model, that replaces the intravascular continuum domain by a discrete domain of arterial tree. Both are based in systems of partial di erential equations. For the purpose of obtaining myocardial pro les of pressure and velocity, the continuum model uses Darcy's law, whereas the coupled model uses Poiseuille's law. CA dynamics is described by reaction-di usionadvection equations in both intravascular and interstitial spaces. The interaction of brosis and the CA is also considered. The models treat the domains as anisotropic media and also depicts the recirculation of the CA. The model parameters were adjusted based on try-and-error to reproduce clinical data. In addition, di erent scenarios were simulated: normal perfusion; endocardial ischemia due to stenosis; and myocardial infarct. Therefore, the computational model was able to correlate anatomical features, stenosis and the presence of brosis, with functional ones, cardiac perfusion. Altogether, the results obtained suggest that the models can support the process of non-invasive cardiac perfusion quanti cation.
Keywords: Meios porosos
Perfusão do miocárdio
Exames de contraste
Porous media
Myocardium perfusion
Contrast exams
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/10280
Issue Date: 1-Mar-2019
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