A fast approach to estimating Windkessel model parameters for patient-specific multi-scale CFD simulations of aortic flow

计算流体力学 稳健性(进化) 流量(数学) 计算机科学 主动脉 MATLAB语言 应用数学 比例(比率) 机械 算法 数学 模拟 物理 医学 心脏病学 化学 生物化学 量子力学 基因 操作系统
作者
Zongze Li,Wenbin Mao
出处
期刊:Computers & Fluids [Elsevier BV]
卷期号:259: 105894-105894 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.compfluid.2023.105894
摘要

Computational fluid dynamics (CFD) study of hemodynamics in the aorta can provide a comprehensive analysis of relevant cardiovascular diseases. One trending approach is to couple the three-element Windkessel model with patient-specific CFD simulations to form a multi-scale model that captures more realistic flow fields. However, case-specific parameters (e.g., Rc, Rp, and C) for the Windkessel model must be tuned to reflect patient-specific flow conditions. In this study, we propose a fast approach to estimate these parameters under both physiological and pathological conditions. The approach consists of the following steps: (1) finding geometric resistances for each branch using steady CFD simulation; (2) using the pattern search algorithm from Matlab toolbox to search the parameter spaces by solving the flow circuit system with the consideration of geometric resistances; (3) performing the multi-scale modeling of aortic flow with the optimized Windkessel model parameters. The method was validated through a series of numerical experiments to show flexibility and robustness, including physiological and pathological flow distributions at each downstream branch from healthy or stenosed aortic geometries. This study demonstrates a flexible and computationally efficient way to capture patient-specific hemodynamics in the aorta, facilitating personalized biomechanical analysis of aortic flow.
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