MagnetoHemoDynamics in Aorta and Electrocardiograms

Vincent Martin (1, 2) , Agnès Drochon (3) , Odette Fokapu (3) , Jean-Frédéric Gerbeau (2)

1 LMAC - Laboratoire de Mathématiques Appliquées de Compiègne
2 REO - Numerical simulation of biological flows
3 BMBI - Biomécanique et Bioingénierie

This paper addresses a complex multi-physical phenomemon involving cardiac electrophysiology and hemodynamics. The purpose is to model and simulate a phenomenon that has been observed in MRI machines: in the presence of a strong magnetic field, the T-wave of the electrocardiogram (ECG) gets bigger, which may perturb ECG-gated imaging. This is due a magnetohydrodynamic (MHD) eff ect occurring in the aorta. We reproduce this experimental observation through computer simulations on a realistic anatomy, and with a three-compartment model: inductionless magnetohydrodynamic equations in the aorta, bidomain equations in the heart and electrical di ffusion in the rest of the body. These compartments are strongly coupled and solved using fi nite elements. Several benchmark tests are proposed to assess the numerical solutions and the validity of some modeling assumptions. Then, ECGs are simulated for a wide range of magnetic field intensities (from 0 to 20 Tesla).

Cet article traite d'un phénomène multi-physique complexe incluant l'électrophysiologie cardiaque et l'hémodynamique. Le but est de modéliser et simuler un phénomène qui a été observé dans les machines IRM : en présence d'un champ magnétique intense, l'onde T de l'électrocardiogramme (ECG) s'accroît, ce qui peut perturber l'imagerie médicale synchronisée par les ECG. Nous reproduisons cette observation expérimentale grâce à des simulations sur ordinateur utilisant une anatomie réaliste et un modèle à trois compartiments : les équations de la magnétohydrodynamique "sans induction" dans l'aorte, les équations bidomaine dans le coeur et la diffusion électrique dans le reste du corps. Ces compartiments sont couplés fortement entre eux et résolus par la méthode des éléments finis. Plusieurs cas-tests sont proposés pour tester les solutions numériques et vérifier la validité de certaines hypothèses de modélisation. Enfin, des ECGs sont simulés pour une large gamme de champs magnétiques (de 0 à 20T). En présence d'un champ magnétique intense, l'écoulement du sang dans l'aorte induit un potentiel électrique qui est la cause d'une augmentation de l'onde T d'un électrocardiogramme (ECG). Ce phénomène peut perturber l'imagerie médicale synchronisée par ECG. Le but de cette étude est de reproduire cette observation expérimentale par le biais de simulations numériques sur une anatomie réaliste. Le modèle informatique est constitué de trois compartiments : la magnetohydrodynamique (MHD) dans l'aorte, les équations bidomaine dans le coeur et les équations de l'électrostatique dans le reste du corps. Ces modèles sont fortement couplés ensemble et résolus par la méthode des éléments finis. Les tests numériques montrent que ce modèle est bien capable de reproduire le comportement attendu sur l'ECG.

Mots clés: finite elements.; Blood flow; electrophysiology; Magnetohydrodynamics (MHD); MRI; finite elements

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Vincent Martin, Agnès Drochon, Odette Fokapu, Jean-Frédéric Gerbeau. MagnetoHemoDynamics in Aorta and Electrocardiograms. Physics in Medicine and Biology, 2012, 57 (10), pp.3177-3195. ⟨10.1088/0031-9155/57/10/3177⟩. ⟨inria-00628032v2⟩