ABSTRACT Few studies have compared transcranial Doppler (TCD) ultrasound with independent techniques such as computational fluid dynamics (CFD) simulations, particularly in response to stimuli. We compared TCD cerebral blood flow velocity in healthy participants with subject-specific CFD simulations to determine differences in techniques. Twelve participants underwent head and neck imaging with 3 Tesla magnetic resonance angiography. Velocity waveforms in the middle cerebral artery (MCA) were measured with TCD while velocity and diameter in the neck arteries were measured with duplex ultrasound at rest, hypercapnia and exercise. Subject-specific CFD simulations were developed for each condition, with velocity waveforms extracted in the same region as TCD. We found that absolute TCD velocities were significantly higher than CFD data, and non-significantly correlated across all conditions (r range 0.030-0.377, all P>0.05). However, relative changes from rest to hypercapnia and exercise generally exhibited significant positive correlations (r range 0.448-0.770), with the strongest correlation being average velocity change from rest to exercise (r=0.770, P<0.01). We have found that although absolute MCA velocity measurements from different sources vary, relative velocity changes yield stronger correlations regardless of source. Our findings indicate relative responses to physiological stimuli, along with absolute data, should be considered for analyzing cerebral blood flow velocity.

A bstract The placenta is a temporary and complex organ critical for fetal development through its subtle but convoluted harmonization of endocrine, vascular, haemodynamic and exchange adaptations. Yet, due to experimental, technological and ethical constraints, this unique organ remains poorly understood. In silico tools are emerging as a powerful means to overcome these challenges and have the potential to actualize novel breakthroughs. Here, we present an interdisciplinary framework combining in vitro experiments used to develop an elegant and scalable in silico model of oxygen diffusion. We then use in utero imaging of placental perfusion and oxygenation in both control and growth-restricted rodent placentas for validation of our in silico model. Our framework revealed the structure-function relationship in the feto-placental vasculature; oxygen diffusion is impaired in growth-restricted placentas, due to the diminished arborization of growth-restricted feto-placental vasculature and the lack of decelerated flow for adequate oxygen diffusion and exchange. We highlight the mechanisms of impairment in a rat model of growth restriction, underpinned by placental vascular impairment. Our framework reports and validates the prediction of blood flow deceleration impairment in growth restricted placentas with the placenta’s oxygen transfer capability being significantly impaired, both globally and locally.