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A mathematical model that integrates cardiac electrophysiology, mechanics, and fluid dynamics: Application to the human left heart

Résumé

We propose a mathematical and numerical model for the simulation of the heart function that couples cardiac electrophysiology, active and passive mechanics and hemodynamics, and includes reduced models for cardiac valves and the circulatory system. Our model accounts for the major feedback effects among the different processes that characterize the heart function, including electro-mechanical and mechano-electrical feedback as well as force-strain and force-velocity relationships. Moreover, it provides a three-dimensional representation of both the cardiac muscle and the hemodynamics, coupled in a fluid-structure interaction (FSI) model. By leveraging the multiphysics nature of the problem, we discretize it in time with a segregated electrophysiology-force generation-FSI approach, allowing for efficiency and flexibility in the numerical solution. We employ a monolithic approach for the numerical discretization of the FSI problem. We use finite elements for the spatial discretization of partial differential equations. We carry out a numerical simulation on a realistic human left heart model, obtaining results that are qualitatively and quantitatively in agreement with physiological ranges and medical images.

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Cœur
Le cœur est un organe musculaire creux qui assure la circulation sanguine en pompant le sang vers les vaisseaux sanguins et les cavités du corps à travers des contractions rythmiques. L'adjectif cardiaque veut dire « qui a un rapport avec le cœur » ; il vient du grec kardia (καρδία) « cœur » , et de la racine indo-européenne ḱḗr (« entrailles »). Fichier:Heart left ventricular outflow track.jpg|Coupe frontale du ventricule gauche du cœur humain. Fichier:Le Cœur Humaine avec des Annotations.
Valve cardiaque
Une valve cardiaque est un élément du cœur séparant les différentes cavités et empêchant le sang de refluer dans le mauvais sens. Chez les mammifères dont le cœur est composé de quatre cavités, le cœur contient quatre valves : la valve mitrale entre l'atrium (ou oreillette) gauche et le ventricule gauche ; la valve tricuspide entre l'atrium (ou oreillette) droit et le ventricule droit ; la valve aortique entre le ventricule gauche et l'aorte ; la valve pulmonaire entre le ventricule droit et l'artère pulmonaire.
Analyse numérique
L’analyse numérique est une discipline à l'interface des mathématiques et de l'informatique. Elle s’intéresse tant aux fondements qu’à la mise en pratique des méthodes permettant de résoudre, par des calculs purement numériques, des problèmes d’analyse mathématique. Plus formellement, l’analyse numérique est l’étude des algorithmes permettant de résoudre numériquement par discrétisation les problèmes de mathématiques continues (distinguées des mathématiques discrètes).
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