JM
J. Muskat
Author with expertise in Management and Pathophysiology of Traumatic Brain Injury
Purdue University West Lafayette
Achievements
Open Access Advocate
Cited Author
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
2
(50% Open Access)
Cited by:
31
h-index:
3
/
i10-index:
1
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
1

Computational Fluid Dynamics of Vascular Disease in Animal Models

Andrea Acuna et al.Aug 7, 2024
+14
F
A
A
Recent applications of computational fluid dynamics (CFD) applied to the cardiovascular system have demonstrated its power in investigating the impact of hemodynamics on disease initiation, progression, and treatment outcomes. Flow metrics such as pressure distributions, wall shear stresses (WSS), and blood velocity profiles can be quantified to provide insight into observed pathologies, assist with surgical planning, or even predict disease progression. While numerous studies have performed simulations on clinical human patient data, it often lacks prediagnosis information and can be subject to large intersubject variability, limiting the generalizability of findings. Thus, animal models are often used to identify and manipulate specific factors contributing to vascular disease because they provide a more controlled environment. In this review, we explore the use of CFD in animal models in recent studies to investigate the initiating mechanisms, progression, and intervention effects of various vascular diseases. The first section provides a brief overview of the CFD theory and tools that are commonly used to study blood flow. The following sections are separated by anatomical region, with the abdominal, thoracic, and cerebral areas specifically highlighted. We discuss the associated benefits and obstacles to performing CFD modeling in each location. Finally, we highlight animal CFD studies focusing on common surgical treatments, including arteriovenous fistulas (AVF) and pulmonary artery grafts. The studies included in this review demonstrate the value of combining CFD with animal imaging and should encourage further research to optimize and expand upon these techniques for the study of vascular disease.
11

Hemodynamic modeling of the circle of Willis reveals unanticipated functions during cardiovascular stress

J. Muskat et al.Jan 23, 2023
+2
V
J
J
The circle of Willis (CW) allows blood to be redistributed throughout the brain during local ischemia; however, it is unlikely that the anatomic persistence of the CW across mammalian species is driven by natural selection of individuals with resistance to cerebrovascular disease typically occurring in elderly humans. To determine the effects of communicating arteries (CoAs) in the CW on cerebral pulse wave propagation and blood flow velocity, we simulated young, active adult humans undergoing different states of cardiovascular stress (i.e., fear and aerobic exercise) using discrete transmission line segments with stress-adjusted cardiac output, peripheral resistance, and arterial compliance. Phase delays between vertebrobasilar and carotid pulses allowed bidirectional shunting through CoAs: both posteroanterior shunting before the peak of the pulse waveform and anteroposterior shunting after internal carotid pressure exceeded posterior cerebral pressure. Relative to an absent CW without intact CoAs, the complete CW blunted anterior pulse waveforms, although limited to 3% and 6% reductions in peak pressure and pulse pressure, respectively. Systolic rate of change in pressure (i.e., ∂P/∂t) was reduced 15%-24% in the anterior vasculature and increased 23%-41% in the posterior vasculature. Bidirectional shunting through posterior CoAs was amplified during cardiovascular stress and increased peak velocity by 25%, diastolic-to-systolic velocity range by 44%, and blood velocity acceleration by 134% in the vertebrobasilar arteries. This effect may facilitate stress-related increases in blood flow to the cerebellum (improving motor coordination) and reticular-activating system (enhancing attention and focus) via a nitric oxide-dependent mechanism, thereby improving survival in fight-or-flight situations.NEW & NOTEWORTHY Hemodynamic modeling reveals potential evolutionary benefits of the intact circle of Willis (CW) during fear and aerobic exercise. The CW equalizes pulse waveforms due to bidirectional shunting of blood flow through communicating arteries, which boosts vertebrobasilar blood flow velocity and acceleration. These phenomena may enhance perfusion of the brainstem and cerebellum via nitric oxide-mediated vasodilation, improving performance of the reticular-activating system and motor coordination in survival situations.