Las enfermedades de la válvula mitral, y en particular la insuficiencia mitral, constituyen una de las valvulopatías más prevalentes en el mundo, con consecuencias que pueden comprometer gravemente la calidad de vida del paciente. El presente Trabajo de Fin de Máster aborda el estudio del flujo hemodinámico a través de la válvula mitral mediante simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), con el propósito de caracterizar el comportamiento del flujo sanguíneo tanto en condiciones fisiológicas normales como bajo diferentes condiciones patológicas. Además, se evalúa el efecto del dispositivo MitraClip como solución terapéutica percutánea frente a la insuficiencia mitral. El trabajo busca, en última instancia, ofrecer una herramienta de análisis que permita comparar configuraciones valvulares distintas y valorar la efectividad de las intervenciones simuladas con rigor cuantitativo.
El estudio se articula en torno a tres bloques metodológicos claramente diferenciados. En primer lugar, se construye una base de datos anatómica que comprende ocho configuraciones geométricas distintas de la válvula mitral: una válvula sana, tres variantes de prolapso valvular localizado en la zona central, izquierda y derecha de la valva, y tres configuraciones con el clip implantado en cada una de esas mismas regiones. Todas las geometrías se generaron y modificaron mediante el software de modelado tridimensional Blender, empleando la herramienta shape keys para controlar con precisión el grado de deformación en cada caso. La integración anatómica completa, que incluye la aurícula izquierda, el ventrículo izquierdo y la válvula mitral, se realizó de forma iterativa hasta obtener volúmenes de fluido coherentes y exportables. En segundo lugar, las geometrías se importaron al entorno ANSYS, donde se validaron y refinaron en SpaceClaim, se generó la malla de cálculo en el módulo Meshing, y se configuraron y ejecutaron las simulaciones en Fluent, adoptando un modelo de fluido newtoniano incompresible con condiciones de contorno fisiológicamente representativas. Por último, los resultados se analizaron e interpretaron en CFD-Post, evaluando distribuciones de velocidad, presión y esfuerzos mecánicos sobre la estructura valvular.
Las simulaciones obtenidas permiten caracterizar el patrón de flujo sanguíneo en cada una de las configuraciones estudiadas. En la válvula sana se identificaron los perfiles de velocidad y presión propios de una hemodinámica fisiológica. Los modelos patológicos con prolapso valvular muestran alteraciones significativas en la distribución del flujo, con la aparición de zonas de recirculación, aumento localizado de velocidades y gradientes de presión transvalvular elevados, cuya magnitud y ubicación varían en función de la zona afectada por el prolapso. La implementación del MitraClip en las tres localizaciones modeladas evidencia una restauración parcial del patrón hemodinámico, reduciendo el área de regurgitación y modificando el campo de velocidades hacia condiciones más próximas a las de la válvula sana, aunque con la particularidad de generar una configuración de doble orificio funcional que introduce sus propias características de flujo.
El estudio demuestra que las simulaciones CFD constituyen una herramienta válida y de gran potencial para analizar la hemodinámica de la válvula mitral en distintos escenarios clínicos. La metodología desarrollada permite obtener información cuantitativa detallada sobre el efecto de las patologías valvulares y evaluar la respuesta del sistema cardiovascular ante intervenciones percutáneas como el clip mitral. Los resultados obtenidos son coherentes con los patrones descritos en la literatura, lo que refuerza la fiabilidad del modelo computacional empleado. Este trabajo sienta las bases para estudios futuros orientados a la personalización de los modelos geométricos a partir de imágenes médicas reales, la incorporación de paredes elásticas en las simulaciones y la exploración de nuevas estrategias terapéuticas mediante entornos virtuales de prueba.
Mitral valve diseases, and mitral regurgitation in particular, represent one of the most prevalent valvular conditions worldwide, with consequences that can severely compromise patient quality of life. This Master’s Thesis addresses the study of hemodynamic flow through the mitral valve by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, with the aim of characterising blood flow behaviour under both normal physiological conditions and various pathological conditions. Furthermore, the study evaluates the effect of the MitraClip device as a percutaneous therapeutic solution for mitral regurgitation. The ultimate goal is to provide an analytical tool capable of comparing distinct valvular configurations and quantitatively assessing the effectiveness of simulated interventions.
The study is structured around three clearly differentiated methodological blocks. First, an anatomical database was built comprising eight distinct geometric configurations of the mitral valve: one healthy valve, three variants of valvular prolapse localised in the central, left and right regions of the leaflets, and three configurations with the clip implanted in each of those same regions. All geometries were generated and modified using the three-dimensional modelling software Blender, employing the “shape keys” tool to precisely control the degree of deformation in each case. The full anatomical assembly, including the left atrium, left ventricle and mitral valve, was constructed through an iterative process until coherent, exportable fluid volumes were obtained. Second, the geometries were imported into the ANSYS environment, where they were validated and refined in SpaceClaim, the computational mesh was generated in the Meshing module, and the simulations were configured and run in Fluent, adopting an incompressible Newtonian fluid model with physiologically representative boundary conditions. Finally, the results were analysed and interpreted in CFD-Post, evaluating velocity, pressure and mechanical stress distributions across the valvular structure.
The simulations obtained allow for the characterisation of the blood flow pattern in each of the configurations studied. In the healthy valve, velocity and pressure profiles consistent with physiological haemodynamics were identified. The pathological models featuring valvular prolapse show significant alterations in flow distribution, with the emergence of recirculation zones, localised velocity increases and elevated transvalvular pressure gradients, whose magnitude and location vary depending on the region affected by the prolapse. Implementation of the MitraClip in the three modelled locations demonstrates a partial restoration of the haemodynamic pattern, reducing the regurgitation area and shifting the velocity field towards conditions closer to those of the healthy valve, albeit with the characteristic feature of generating a double-orifice functional configuration that introduces its own flow particularities.
The study demonstrates that CFD simulations constitute a valid tool with significant potential for analysing mitral valve haemodynamics across different clinical scenarios. The methodology developed enables the acquisition of detailed quantitative information on the effects of valvular pathologies and the evaluation of the cardiovascular system’s response to percutaneous interventions such as the mitral clip. The results obtained are consistent with patterns described in the literature, reinforcing the reliability of the computational model employed. This work lays the groundwork for future studies aimed at personalising geometric models from real medical imaging data, incorporating elastic wall behaviour into simulations, and exploring novel therapeutic strategies through virtual testing environments.
Las enfermedades de la válvula mitral, y en particular la insuficiencia mitral, constituyen una de las valvulopatías más prevalentes en el mundo, con consecuencias que pueden comprometer gravemente la calidad de vida del paciente. El presente Trabajo de Fin de Máster aborda el estudio del flujo hemodinámico a través de la válvula mitral mediante simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), con el propósito de caracterizar el comportamiento del flujo sanguíneo tanto en condiciones fisiológicas normales como bajo diferentes condiciones patológicas. Además, se evalúa el efecto del dispositivo MitraClip como solución terapéutica percutánea frente a la insuficiencia mitral. El trabajo busca, en última instancia, ofrecer una herramienta de análisis que permita comparar configuraciones valvulares distintas y valorar la efectividad de las intervenciones simuladas con rigor cuantitativo.
El estudio se articula en torno a tres bloques metodológicos claramente diferenciados. En primer lugar, se construye una base de datos anatómica que comprende ocho configuraciones geométricas distintas de la válvula mitral: una válvula sana, tres variantes de prolapso valvular localizado en la zona central, izquierda y derecha de la valva, y tres configuraciones con el clip implantado en cada una de esas mismas regiones. Todas las geometrías se generaron y modificaron mediante el software de modelado tridimensional Blender, empleando la herramienta shape keys para controlar con precisión el grado de deformación en cada caso. La integración anatómica completa, que incluye la aurícula izquierda, el ventrículo izquierdo y la válvula mitral, se realizó de forma iterativa hasta obtener volúmenes de fluido coherentes y exportables. En segundo lugar, las geometrías se importaron al entorno ANSYS, donde se validaron y refinaron en SpaceClaim, se generó la malla de cálculo en el módulo Meshing, y se configuraron y ejecutaron las simulaciones en Fluent, adoptando un modelo de fluido newtoniano incompresible con condiciones de contorno fisiológicamente representativas. Por último, los resultados se analizaron e interpretaron en CFD-Post, evaluando distribuciones de velocidad, presión y esfuerzos mecánicos sobre la estructura valvular.
Las simulaciones obtenidas permiten caracterizar el patrón de flujo sanguíneo en cada una de las configuraciones estudiadas. En la válvula sana se identificaron los perfiles de velocidad y presión propios de una hemodinámica fisiológica. Los modelos patológicos con prolapso valvular muestran alteraciones significativas en la distribución del flujo, con la aparición de zonas de recirculación, aumento localizado de velocidades y gradientes de presión transvalvular elevados, cuya magnitud y ubicación varían en función de la zona afectada por el prolapso. La implementación del MitraClip en las tres localizaciones modeladas evidencia una restauración parcial del patrón hemodinámico, reduciendo el área de regurgitación y modificando el campo de velocidades hacia condiciones más próximas a las de la válvula sana, aunque con la particularidad de generar una configuración de doble orificio funcional que introduce sus propias características de flujo.
El estudio demuestra que las simulaciones CFD constituyen una herramienta válida y de gran potencial para analizar la hemodinámica de la válvula mitral en distintos escenarios clínicos. La metodología desarrollada permite obtener información cuantitativa detallada sobre el efecto de las patologías valvulares y evaluar la respuesta del sistema cardiovascular ante intervenciones percutáneas como el clip mitral. Los resultados obtenidos son coherentes con los patrones descritos en la literatura, lo que refuerza la fiabilidad del modelo computacional empleado. Este trabajo sienta las bases para estudios futuros orientados a la personalización de los modelos geométricos a partir de imágenes médicas reales, la incorporación de paredes elásticas en las simulaciones y la exploración de nuevas estrategias terapéuticas mediante entornos virtuales de prueba.
Mitral valve diseases, and mitral regurgitation in particular, represent one of the most prevalent valvular conditions worldwide, with consequences that can severely compromise patient quality of life. This Master’s Thesis addresses the study of hemodynamic flow through the mitral valve by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, with the aim of characterising blood flow behaviour under both normal physiological conditions and various pathological conditions. Furthermore, the study evaluates the effect of the MitraClip device as a percutaneous therapeutic solution for mitral regurgitation. The ultimate goal is to provide an analytical tool capable of comparing distinct valvular configurations and quantitatively assessing the effectiveness of simulated interventions.
The study is structured around three clearly differentiated methodological blocks. First, an anatomical database was built comprising eight distinct geometric configurations of the mitral valve: one healthy valve, three variants of valvular prolapse localised in the central, left and right regions of the leaflets, and three configurations with the clip implanted in each of those same regions. All geometries were generated and modified using the three-dimensional modelling software Blender, employing the “shape keys” tool to precisely control the degree of deformation in each case. The full anatomical assembly, including the left atrium, left ventricle and mitral valve, was constructed through an iterative process until coherent, exportable fluid volumes were obtained. Second, the geometries were imported into the ANSYS environment, where they were validated and refined in SpaceClaim, the computational mesh was generated in the Meshing module, and the simulations were configured and run in Fluent, adopting an incompressible Newtonian fluid model with physiologically representative boundary conditions. Finally, the results were analysed and interpreted in CFD-Post, evaluating velocity, pressure and mechanical stress distributions across the valvular structure.
The simulations obtained allow for the characterisation of the blood flow pattern in each of the configurations studied. In the healthy valve, velocity and pressure profiles consistent with physiological haemodynamics were identified. The pathological models featuring valvular prolapse show significant alterations in flow distribution, with the emergence of recirculation zones, localised velocity increases and elevated transvalvular pressure gradients, whose magnitude and location vary depending on the region affected by the prolapse. Implementation of the MitraClip in the three modelled locations demonstrates a partial restoration of the haemodynamic pattern, reducing the regurgitation area and shifting the velocity field towards conditions closer to those of the healthy valve, albeit with the characteristic feature of generating a double-orifice functional configuration that introduces its own flow particularities.
The study demonstrates that CFD simulations constitute a valid tool with significant potential for analysing mitral valve haemodynamics across different clinical scenarios. The methodology developed enables the acquisition of detailed quantitative information on the effects of valvular pathologies and the evaluation of the cardiovascular system’s response to percutaneous interventions such as the mitral clip. The results obtained are consistent with patterns described in the literature, reinforcing the reliability of the computational model employed. This work lays the groundwork for future studies aimed at personalising geometric models from real medical imaging data, incorporating elastic wall behaviour into simulations, and exploring novel therapeutic strategies through virtual testing environments. Read More
