Bachelor's Thesis

Mathematical modelling of global cardiac energetics in aortic stenosis

Final Thesis 29.11 MB Appendix 1.94 MB

Author of thesis: Bc. Martin Dvouletý

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: MUDr. Michal Šitina, Ph.D., MSc.

Reviewer: MUDr.Ing. Richard Ředina

Abstract:

Severe aortic stenosis imposes severe pressure overload on the left ventricle, leading to compensatory hypertrophy and increases cardiac energy expenditure. This thesis presents a mathematical model of the cardiovascular system integrating the time-varying elastance, 3- and 2-element Windkessel models for systemic and pulmonary arterial and venous circulation, and a lumped-parameter coronary circulation model to analyse global cardiac energy balance in severe aortic stenosis. One-Factor-At-A-Time and global sensitivity analyses identified heart rate, systemic arterial resistance, coronary microvascular resistance, and blood volume as the primary determinants of energy stability. Simulations of syncopal episodes revealed significantly higher prevalence of energy imbalance in severe aortic stenosis.

Keywords:

mathematical modelling, cardiovascular system, cardiac energetics, aortic stenosis, sudden cardiac death

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Doc. Gumulec položil otázku: Na základě čeho jste model vytvářel? Jsou tam nějaké limity v chybovosti? Model funguje lineárně? Je to omezení? Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Biomedical Engineering

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

Doc. MUDr. Jaromír Gumulec, Ph.D. (předseda)
doc. Mgr. Ing. Karel Sedlář, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jan Odstrčilík, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Sekora, MBA (člen)
Ing. Andrea Němcová, Ph.D. (člen)
Ing. Roman Jakubíček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
MUDr. Michal Šitina, Ph.D., MSc.

--- viz příloha v PDF --- Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 370,43 kB

Reviewer’s report
MUDr.Ing. Richard Ředina

Předložená práce na téma modelování srdeční energetiky se věnuje vysoce aktuálnímu a interdisciplinárnímu tématu. Její rozsah (109 stran včetně příloh) je nadstandardní a autor v ní čerpá z bohatého fondu 88 většinově relevantních zdrojů. Text je logicky členěný, srozumitelný a psaný v angličtině na vysoké úrovni. Tuto skutečnost lze hodnotit obzvlášť kladně s ohledem na to, že student nedeklaruje využití LLMs pro textové úpravy.
Použité metody jsou jasně popsány a podloženy odpovídajícími schématy a rovnicemi. Výsledky jsou prezentovány převážně graficky a v textu řádně diskutovány. Velmi oceňuji zařazení samostatné sekce „Limitace“, kde student kriticky hodnotí omezení svého přístupu a jasně definuje možnosti budoucího rozšíření práce.
Práci doprovází minimum formálních nedostatků. Některé snímky v teoretické části mají nižší kvalitu rozlišení (1.4, 1.6). Schéma 2.1 není v textu ideálně provázáno a jeho popisek je příliš strohý pro hlubší pochopení funkce jednotlivých prvků. Grafy ve výsledkové části jsou rozměrově malé, informačně přehuštěné a legendy se místy překrývají s křivkami. Pasáže zdrojového kódu v kapitole Metody by bylo vhodnější přesunout do příloh nebo nahradit obecnými rovnicemi.
I přes uvedené vizuální a formální výhrady se jedná o jednoznačně nadstandardní počin, který svou hloubkou splňuje všechny nároky kladené na bakalářskou práci. Navrhuji hodnocení A, 95 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Schéma 2.1 přebíráte z literatury – můžete přiblížit význam jednotlivých prvků (případně jejich skupin) a objasnit, čemu fyziologicky odpovídají? Jak souvisí s tříprvkovým modelem ze snímku 1.7?
  2. Bylo by možné model aplikovat i na jiné formy tlakového přetížení levé komory, například koarktaci aorty? Které části modelu by bylo nutné upravit a které by zůstaly beze změny?
  3. Degenerativní forma aortální stenózy může být doprovázena kolaterálním poškozením srdce. Jak by se Váš model změnil pro pacienty po prodělaném infarktu myokardu? Jak by rozsah infarktu změnil nastavení modelu?
Points proposed by reviewer: 95

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová