Introdução: A hipertrofia ventricular esquerda é importante fator de risco de morbidade e mortalidade cardiovascular. Sua associação com variantes funcionais do sistema renina-angiotensina é controversa. Objetivos: Avaliar a associação entre massa ventricular esquerda e função sistólica e diastólica do ventrículo esquerdo e os polimorfismos inserção/deleção do gene da enzima de conversão da angiotensina e M235T do gene do angiotensinogênio. Métodos: Estudo observacional realizado numa amostra da população da cidade de Vitória (Espírito Santo), utilizando como base a metodologia do projeto Mônica da Organização Mundial da Saúde. Realizamos avaliação clínica, perfil antropométrico, análise laboratorial e ecocardiograma em 652 indivíduos previamente genotipados para polimorfismos da enzima de conversão da angiotensina e do angiotensinogênio. Analisamos massa ventricular esquerda indexada pela área de superfície corpórea e pela altura2,13. Classificamos o ventrículo esquerdo em padrões geométricos: padrão normal, remodelamento concêntrico, hipertrofia concêntrica e hipertrofia excêntrica. A função sistólica ventricular esquerda foi avaliada pela fração de ejeção medida ao modo unidimensional. A função diastólica foi analisada pelo fluxo mitral (onda E, onda A, relação E/A, tempo de desaceleração e tempo de relaxamento isovolumétrico) e pelo Doppler tecidual (velocidade miocárdica em região próxima ao anel mitral septal e lateral: ondas E e A e relação E/E). Resultados: A média de idade da população estudada foi 51 ± 10 anos sendo 59% dos participantes do sexo feminino e 20,8% obesos. Em nossa amostra, 47% dos indivíduos foram classificados como hipertensos. Não houve associação entre hipertensão arterial e os genótipos analisados. Após análise univariada, não encontramos associação entre os polimorfismos inserção/deleção da enzima de conversão da angiotensina e M235T do angiotensinogênio e índice de massa ventricular esquerda, padrões geométricos do ventrículo esquerdo, função sistólica avaliada pela fração de ejeção e os vários parâmetros de função diastólica analisados. / Introduction: Left ventricular hypertrophy is an important risk factor for cardiovascular morbidity and mortality. Its association with the reninangiotensin system genetic variants is controversial. Objectives: To assess the association between left ventricular mass, left ventricle systolic and diastolic functions, and polymorphisms of the insertion/deletion angiotensin converting enzyme and M235T angiotensinogen genes. Methods: Observational study in adults from Vitoria (Brazil) using the methodology of the Monica project of the World Health Organization. We performed clinical examination, anthropometric assessment, laboratory analysis and transthoracic echocargiography studies in 652 adults who were previously genotyped for polymorphisms of the angiotensin-converting enzyme and angiotensinogen. We measured left ventricular mass indexed to body surface area and height 2,13, left ventricular ejection fraction, and diastolic function using mitral flow and tissue Doppler. Left ventricle was classified into following geometric patterns: normal, concentric remodeling, concentric hypertrophy and eccentric hypertrophy. Left ventricular systolic function was assessed by ejection fraction by analysis of the M-mode echocardiogram. Diastolic function was assessed using mitral flow (E wave, A wave, E/A ratio, deceleration time and isovolumic relaxation time), and Doppler tissue imaging (mitral annulus velocity in septal and lateral region: E` and A` waves, and E/E`ratio). Results: Mean age of the studied population was 51±10 years; 59% of the subjects were women and 20,8% were obese. Forty seven percent of the individuals were classified as hypertensive. Hypertension was not associated with any of the studied genotypes. Univarate analysis showed no correlation between polymorphisms of the insertion/deletion angiotensin-converting enzyme and M235T angiotensinogen gene variants, left ventricular mass index, left ventricular geometric patterns, and systolic and diastolic functions. Taking together these data indicated no evidence for the association of ACE and angiotensinogen gene variants with cardiac mass and function assessed by echocardiography.

Introdução: A hipertrofia ventricular esquerda é importante fator de risco de morbidade e mortalidade cardiovascular. Sua associação com variantes funcionais do sistema renina-angiotensina é controversa. Objetivos: Avaliar a associação entre massa ventricular esquerda e função sistólica e diastólica do ventrículo esquerdo e os polimorfismos inserção/deleção do gene da enzima de conversão da angiotensina e M235T do gene do angiotensinogênio. Métodos: Estudo observacional realizado numa amostra da população da cidade de Vitória (Espírito Santo), utilizando como base a metodologia do projeto Mônica da Organização Mundial da Saúde. Realizamos avaliação clínica, perfil antropométrico, análise laboratorial e ecocardiograma em 652 indivíduos previamente genotipados para polimorfismos da enzima de conversão da angiotensina e do angiotensinogênio. Analisamos massa ventricular esquerda indexada pela área de superfície corpórea e pela altura2,13. Classificamos o ventrículo esquerdo em padrões geométricos: padrão normal, remodelamento concêntrico, hipertrofia concêntrica e hipertrofia excêntrica. A função sistólica ventricular esquerda foi avaliada pela fração de ejeção medida ao modo unidimensional. A função diastólica foi analisada pelo fluxo mitral (onda E, onda A, relação E/A, tempo de desaceleração e tempo de relaxamento isovolumétrico) e pelo Doppler tecidual (velocidade miocárdica em região próxima ao anel mitral septal e lateral: ondas E e A e relação E/E). Resultados: A média de idade da população estudada foi 51 ± 10 anos sendo 59% dos participantes do sexo feminino e 20,8% obesos. Em nossa amostra, 47% dos indivíduos foram classificados como hipertensos. Não houve associação entre hipertensão arterial e os genótipos analisados. Após análise univariada, não encontramos associação entre os polimorfismos inserção/deleção da enzima de conversão da angiotensina e M235T do angiotensinogênio e índice de massa ventricular esquerda, padrões geométricos do ventrículo esquerdo, função sistólica avaliada pela fração de ejeção e os vários parâmetros de função diastólica analisados. / Introduction: Left ventricular hypertrophy is an important risk factor for cardiovascular morbidity and mortality. Its association with the reninangiotensin system genetic variants is controversial. Objectives: To assess the association between left ventricular mass, left ventricle systolic and diastolic functions, and polymorphisms of the insertion/deletion angiotensin converting enzyme and M235T angiotensinogen genes. Methods: Observational study in adults from Vitoria (Brazil) using the methodology of the Monica project of the World Health Organization. We performed clinical examination, anthropometric assessment, laboratory analysis and transthoracic echocargiography studies in 652 adults who were previously genotyped for polymorphisms of the angiotensin-converting enzyme and angiotensinogen. We measured left ventricular mass indexed to body surface area and height 2,13, left ventricular ejection fraction, and diastolic function using mitral flow and tissue Doppler. Left ventricle was classified into following geometric patterns: normal, concentric remodeling, concentric hypertrophy and eccentric hypertrophy. Left ventricular systolic function was assessed by ejection fraction by analysis of the M-mode echocardiogram. Diastolic function was assessed using mitral flow (E wave, A wave, E/A ratio, deceleration time and isovolumic relaxation time), and Doppler tissue imaging (mitral annulus velocity in septal and lateral region: E` and A` waves, and E/E`ratio). Results: Mean age of the studied population was 51±10 years; 59% of the subjects were women and 20,8% were obese. Forty seven percent of the individuals were classified as hypertensive. Hypertension was not associated with any of the studied genotypes. Univarate analysis showed no correlation between polymorphisms of the insertion/deletion angiotensin-converting enzyme and M235T angiotensinogen gene variants, left ventricular mass index, left ventricular geometric patterns, and systolic and diastolic functions. Taking together these data indicated no evidence for the association of ACE and angiotensinogen gene variants with cardiac mass and function assessed by echocardiography.

Numerical modelling and simulation are powerful tools for analysis and design, and with the improvement of computational power and numerical methods they are being applied on complex phenomena and systems. This work shows examples of the application of a very sophisticated numerical method, namely the Spectral/hp element method, in the study of the flow inside bioinspired complex geometries. The two topics investigated are fluid dynamic instabilities in a constricted channel and flow inside a paediatric ventricular assist device were studied by means of computational fluid mechanics. The constricted channel is an idealized model of a nasal cavity, which is characterized by complex airway channels, and also bears some resemblance to a human artery in the presence of an atherosclerotic plaques. The paediatric ventricular assist device is an actual device, designed by the Bioengineering research group of the Heart Institute of the Medicine School of the University of São Paulo, which works as a pump that assists the left ventricle of patients waiting for transplantation. Therefore, the aim of this thesis is to contribute in the understanding of biological and bio-inspired geometries flows, using computational tools. Linear and nonlinear stability were carried out for the constricted channel. Three different flow regimes were investigated: symmetric steady flow, which is stable for low Reynolds number, asymmetric steady flow, which rises as a result of the primary bifurcation of the symmetric flow and pulsatile flow. Direct stability analysis was carried out to determine the unstable regions and the critical values for each flow regime. The physical mechanisms behind the transition processes were studied by means of direct numerical simulations to characterize the bifurcations. Since the bifurcations had subcritical behaviour, the relevance of non-normal growth in these flows was assessed. Dependence on phase, Reynolds number and spanwise wavenumber of optimal modes were extensively investigated in stable regions of the three flow regimes. Convective instabilities were also studied in order to comprehend the physical mechanisms which led the optimal modes to their maxima growth, and different convective mechanisms were found. The flow inside the paediatric ventricular assist device was analyzed by means of threedimensional numerical simulations. A computational model based on special boundaries conditions was developed to model the pulsatile flow. In this model, the opening and closure of the mitral valve and diaphragm were represented with the use of specially devised boundary conditions. The driving force and the flow direction of the diaphragm were defined by velocity distribution on the diaphragm wall, and the opening and closure of the mitral valve were performed by a velocity waveform which goes to zero in the systolic period. Flow patterns, velocity fields and time-average wall shear rate were analyzed to evaluate the performance of the device. / Modelagem e simulação numéricas são ferramentas poderosas para análise e design, e com a melhoria do poder computacional e dos métodos numéricos, eles estão sendo aplicados em fenômenos e sistemas complexos. Este trabalho mostra exemplos de aplicações de um método numérico sofisticado, o método dos elementos espectrais/hp, no estudo do escoamento dentro de geometrias complexas bio-inspiradas. Os dois tópicos investigados são: instabilidades em dinâmica de fluido em um canal constrito e o escoamento dentro de um dispositivo de assistência ventricular pediátrica. O canal constrito é um modelo idealizado de uma cavidade nasal, que é caracterizada por canais complexos da via aérea, e também tem semelhança com uma artéria humana na presença de placas ateroscleróticas. O dispositivo de assistência ventricular pediátrica é um dispositivo real, projetado pelo grupo de pesquisa de Bioengenharia do Instituto do Coração da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, que funciona como uma bomba que auxilia o ventrículo esquerdo dos pacientes à espera de transplante. Portanto, o objetivo desta tese é contribuir na compreensão de escoamentos em geometrias biológicas e bio-inspiradas, usando ferramentas computacionais. Análises de estabilidade linear e não linear foram feitas para um canal constrito. Três diferentes regimes de escoamento foram empregados: escoamento estacionário simétrico, que é estável para baixo número de Reynolds, escoamento assimétrico, o qual é resultado da primeira bifurcação do escoamento simétrico e escoamento pulsátil. Análise de estabilidade direta foi executada para determinar as regiões instáveis em cada regime de escoamento. Os mecanismos físicos por trás do processo de transição foram estudados por meio de simulação numérica direta para caracterizar as bifurcações. Uma vez que, as bifurcações tiveram um comportamento subcrítico, a relevância do crescimento não normal nestes escoamentos foi avaliado. Assim, dependência com a fase, número de Reynolds e número de onda do modo tridimensional foram extensivamente investigados em regiões estáveis para os três regimes de escoamento. Instabilidades convectivas foram também estudadas a fim de compreender os mecanismos físicos que conduzem os modos ótimos para seus crescimentos máximos, e diferentes mecanismos convectivos foram encontrados. O escoamento dentro do dispositivo de assistência ventricular pediátrico foi analisado por meios de simulações numéricas tridimensionais. Um modelo computacional baseado em condições de contorno especiais foi desenvolvido para modelar o escoamento pulsátil. Neste modelo, a abertura e fechamento da válvula mitral e diafragma foram representados com o uso de condições de contorno especialmente elaboradas. A força motora e o direcionamento do fluxo do diafragma foram definidos por uma distribuição de velocidades na parede do diafragma, e a abertura e fechamento da válvula mitral foram executadas por uma função de onda de velocidade que vai a zero no período sistólico. Padrões do escoamento, campos de velocidade e tensão de cisalhamento no tempo foram analisadas para avaliar o desempenho do dispositivo.

Quantification of cardiac left ventricular (LV) motion from medical images provides a non-invasive method for diagnosing cardiovascular disease (CVD). The proposed study continues our group\'s line of research in quantification of LV motion by applying optical flow (OF) techniques to quantify LV motion in gated Rubidium Chloride-82Rb (82Rb) and Fluorodeoxyglucose-18F (FDG) PET image sequences. The following challenges arise from this work: (i) the motion vector field (MVF) should be made as accurate as possible to maximise sensitivity and specificity; (ii) the MVF is large and composed of 3D vectors in 3D space, making visual extraction of information for medical diagnosis dffcult by human observers. Approaches to improve the accuracy of motion quantification were developed. While the volume of interest is the region of the MVF corresponding to the LV myocardium, non-zero values of motion exist outside this volume due to artefacts in the motion detection method or from neighbouring structures, such as the right ventricle. Improvements in accuracy can be obtained by segmenting the LV and setting the MVF to zero outside the LV. The LV myocardium was automatically segmented in short-axis slices using the Hough circle transform to provide an initialisation to the distance regularised level set evolution algorithm. Our segmentation method attained Dice similarity measure of 93.43% when tested over 395 FDG slices, compared with manual segmentation. Strategies for improving OF performance at motion boundaries were investigated using spatially varying averaging filters, applied to synthetic image sequences. Results showed improvements in motion quantification accuracy using these methods. Kinetic Energy Index (KEf), an indicator of cardiac motility, was used to assess 63 individuals with normal and altered/low cardiac function from a 82Rb PET image database. Sensitivity and specificity tests were performed to evaluate the potential of KEf as a classifier of cardiac function, using LV ejection fraction as gold standard. A receiver operating characteristics curve was constructed, which provided an area under the curve of 0.906. Analysis of LV motion can be simplified by visualisation of directional motion field components, namely radial, rotational (or circumferential) and linear, obtained through automated decomposition. The Discrete Helmholtz Hodge Decomposition (DHHD) was used to generate these components in an automated manner, with a validation performed using synthetic cardiac motion fields from the Extended Cardiac Torso phantom. Finally, the DHHD was applied to OF fields from gated FDG images, allowing an analysis of directional components from an individual with normal cardiac function and a patient with low function and a pacemaker fitted. Motion field quantification from PET images allows the development of new indicators to diagnose CVDs. The ability of these motility indicators depends on the accuracy of the quantification of movement, which in turn can be determined by characteristics of the input images, such as noise. Motion analysis provides a promising and unprecedented approach to the diagnosis of CVDs. / A quantificação do movimento cardíaco do ventrículo esquerdo (VE) a partir de imagens médicas fornece um método não invasivo para o diagnóstico de doenças cardiovasculares (DCV). O estudo aqui proposto continua na mesma linha de pesquisa do nosso grupo sobre quantificação do movimento do VE por meio de técnicas de fluxo óptico (FO), aplicando estes métodos para quantificar o movimento do VE em sequências de imagens associadas às substâncias de cloreto de rubídio-82Rb (82Rb) e fluorodeoxiglucose-18F (FDG) PET. Com a extração dos campos vetoriais surgiram os seguintes desafios: (i) o campo vetorial de movimento (motion vector field, MVF) deve ser feito da forma mais precisa possível para maximizar a sensibilidade e especificidade; (ii) o MVF é extenso e composto de vetores 3D no espaço 3D, dificultando a análise visual de informações por observadores humanos para o diagnóstico médico. Foram desenvolvidas abordagens para melhorar a precisão da quantificação de movimento, considerando que o volume de interesse seja a região do MVF correspondente ao miocárdio do VE, em que valores de movimento não nulos existem fora deste volume devido aos artefatos do método de detecção de movimento ou de estruturas vizinhas, como o ventrículo direito. As melhorias na precisão foram obtidas segmentando o VE e ajustando os valores de MVF para zero fora do VE. O miocárdio VE foi segmentado automaticamente em fatias de eixo curto usando a Transformada de Hough na detecção de círculos para fornecer uma inicialização ao algoritmo de curvas de nível, um tipo de modelo deformável. A segmentação automática do VE atingiu 93,43% de medida de similaridade Dice, quando foi testado em 395 fatias de eixo menor de FDG, comparado com a segmentação manual. Estratégias para melhorar o desempenho do algoritmo OF nas bordas de movimento foram investigadas usando spatially varying averaging filters, aplicados em seqüências de imagens sintéticas. Os resultados mostraram melhorias na precisão de quantificação de movimento utilizando estes métodos. O Índice de Energia Cinética (KEf), um indicador de motilidade cardíaca, foi utilizado para avaliar 63 sujeitos com função cardíaca normal e alterada / baixa de uma base de dados de imagens PET de 82Rb. Foram realizados testes de sensibilidade e especificidade para avaliar o potencial de KEf para classificar a função cardíaca, utilizando a fração de ejeção do VE como padrão ouro. Foi construída uma curva ROC, que proporcionou uma área sob a curva de 0,906. A análise do movimento do VE pode ser simplificada pela visualização de componentes de campo de movimento direcional, ou seja, radial, rotacional (ou circunferencial) e linear, obtidos por decomposição automatizada. A decomposição discreta de Helmholtz Hodge (DHHD) foi utilizada para gerar estes componentes de forma automatizada, com uma validação utilizando campos de movimento cardíaco sintéticos a partir do conjunto Extended Cardiac Torso Phantom. Finalmente, o método DHHD foi aplicado a campos de FO, criado a partir de imagens FDG, permitindo uma análise de componentes direcionais de um indivíduo com função cardíaca normal e um paciente com baixa função e utilizando um marca-passo. A quantificação do campo de movimento a partir de imagens PET possibilita o desenvolvimento de novos indicadores para diagnosticar DCVs. A capacidade destes indicadores de motilidade depende na precisão da quantificação de movimento que, por sua vez, pode ser determinado por características das imagens de entrada como ruído. A análise de movimento fornece um promissor e sem precedente método para o diagnóstico de DCVs.

Quantification of cardiac left ventricular (LV) motion from medical images provides a non-invasive method for diagnosing cardiovascular disease (CVD). The proposed study continues our group\'s line of research in quantification of LV motion by applying optical flow (OF) techniques to quantify LV motion in gated Rubidium Chloride-82Rb (82Rb) and Fluorodeoxyglucose-18F (FDG) PET image sequences. The following challenges arise from this work: (i) the motion vector field (MVF) should be made as accurate as possible to maximise sensitivity and specificity; (ii) the MVF is large and composed of 3D vectors in 3D space, making visual extraction of information for medical diagnosis dffcult by human observers. Approaches to improve the accuracy of motion quantification were developed. While the volume of interest is the region of the MVF corresponding to the LV myocardium, non-zero values of motion exist outside this volume due to artefacts in the motion detection method or from neighbouring structures, such as the right ventricle. Improvements in accuracy can be obtained by segmenting the LV and setting the MVF to zero outside the LV. The LV myocardium was automatically segmented in short-axis slices using the Hough circle transform to provide an initialisation to the distance regularised level set evolution algorithm. Our segmentation method attained Dice similarity measure of 93.43% when tested over 395 FDG slices, compared with manual segmentation. Strategies for improving OF performance at motion boundaries were investigated using spatially varying averaging filters, applied to synthetic image sequences. Results showed improvements in motion quantification accuracy using these methods. Kinetic Energy Index (KEf), an indicator of cardiac motility, was used to assess 63 individuals with normal and altered/low cardiac function from a 82Rb PET image database. Sensitivity and specificity tests were performed to evaluate the potential of KEf as a classifier of cardiac function, using LV ejection fraction as gold standard. A receiver operating characteristics curve was constructed, which provided an area under the curve of 0.906. Analysis of LV motion can be simplified by visualisation of directional motion field components, namely radial, rotational (or circumferential) and linear, obtained through automated decomposition. The Discrete Helmholtz Hodge Decomposition (DHHD) was used to generate these components in an automated manner, with a validation performed using synthetic cardiac motion fields from the Extended Cardiac Torso phantom. Finally, the DHHD was applied to OF fields from gated FDG images, allowing an analysis of directional components from an individual with normal cardiac function and a patient with low function and a pacemaker fitted. Motion field quantification from PET images allows the development of new indicators to diagnose CVDs. The ability of these motility indicators depends on the accuracy of the quantification of movement, which in turn can be determined by characteristics of the input images, such as noise. Motion analysis provides a promising and unprecedented approach to the diagnosis of CVDs. / A quantificação do movimento cardíaco do ventrículo esquerdo (VE) a partir de imagens médicas fornece um método não invasivo para o diagnóstico de doenças cardiovasculares (DCV). O estudo aqui proposto continua na mesma linha de pesquisa do nosso grupo sobre quantificação do movimento do VE por meio de técnicas de fluxo óptico (FO), aplicando estes métodos para quantificar o movimento do VE em sequências de imagens associadas às substâncias de cloreto de rubídio-82Rb (82Rb) e fluorodeoxiglucose-18F (FDG) PET. Com a extração dos campos vetoriais surgiram os seguintes desafios: (i) o campo vetorial de movimento (motion vector field, MVF) deve ser feito da forma mais precisa possível para maximizar a sensibilidade e especificidade; (ii) o MVF é extenso e composto de vetores 3D no espaço 3D, dificultando a análise visual de informações por observadores humanos para o diagnóstico médico. Foram desenvolvidas abordagens para melhorar a precisão da quantificação de movimento, considerando que o volume de interesse seja a região do MVF correspondente ao miocárdio do VE, em que valores de movimento não nulos existem fora deste volume devido aos artefatos do método de detecção de movimento ou de estruturas vizinhas, como o ventrículo direito. As melhorias na precisão foram obtidas segmentando o VE e ajustando os valores de MVF para zero fora do VE. O miocárdio VE foi segmentado automaticamente em fatias de eixo curto usando a Transformada de Hough na detecção de círculos para fornecer uma inicialização ao algoritmo de curvas de nível, um tipo de modelo deformável. A segmentação automática do VE atingiu 93,43% de medida de similaridade Dice, quando foi testado em 395 fatias de eixo menor de FDG, comparado com a segmentação manual. Estratégias para melhorar o desempenho do algoritmo OF nas bordas de movimento foram investigadas usando spatially varying averaging filters, aplicados em seqüências de imagens sintéticas. Os resultados mostraram melhorias na precisão de quantificação de movimento utilizando estes métodos. O Índice de Energia Cinética (KEf), um indicador de motilidade cardíaca, foi utilizado para avaliar 63 sujeitos com função cardíaca normal e alterada / baixa de uma base de dados de imagens PET de 82Rb. Foram realizados testes de sensibilidade e especificidade para avaliar o potencial de KEf para classificar a função cardíaca, utilizando a fração de ejeção do VE como padrão ouro. Foi construída uma curva ROC, que proporcionou uma área sob a curva de 0,906. A análise do movimento do VE pode ser simplificada pela visualização de componentes de campo de movimento direcional, ou seja, radial, rotacional (ou circunferencial) e linear, obtidos por decomposição automatizada. A decomposição discreta de Helmholtz Hodge (DHHD) foi utilizada para gerar estes componentes de forma automatizada, com uma validação utilizando campos de movimento cardíaco sintéticos a partir do conjunto Extended Cardiac Torso Phantom. Finalmente, o método DHHD foi aplicado a campos de FO, criado a partir de imagens FDG, permitindo uma análise de componentes direcionais de um indivíduo com função cardíaca normal e um paciente com baixa função e utilizando um marca-passo. A quantificação do campo de movimento a partir de imagens PET possibilita o desenvolvimento de novos indicadores para diagnosticar DCVs. A capacidade destes indicadores de motilidade depende na precisão da quantificação de movimento que, por sua vez, pode ser determinado por características das imagens de entrada como ruído. A análise de movimento fornece um promissor e sem precedente método para o diagnóstico de DCVs.

Numerical modelling and simulation are powerful tools for analysis and design, and with the improvement of computational power and numerical methods they are being applied on complex phenomena and systems. This work shows examples of the application of a very sophisticated numerical method, namely the Spectral/hp element method, in the study of the flow inside bioinspired complex geometries. The two topics investigated are fluid dynamic instabilities in a constricted channel and flow inside a paediatric ventricular assist device were studied by means of computational fluid mechanics. The constricted channel is an idealized model of a nasal cavity, which is characterized by complex airway channels, and also bears some resemblance to a human artery in the presence of an atherosclerotic plaques. The paediatric ventricular assist device is an actual device, designed by the Bioengineering research group of the Heart Institute of the Medicine School of the University of São Paulo, which works as a pump that assists the left ventricle of patients waiting for transplantation. Therefore, the aim of this thesis is to contribute in the understanding of biological and bio-inspired geometries flows, using computational tools. Linear and nonlinear stability were carried out for the constricted channel. Three different flow regimes were investigated: symmetric steady flow, which is stable for low Reynolds number, asymmetric steady flow, which rises as a result of the primary bifurcation of the symmetric flow and pulsatile flow. Direct stability analysis was carried out to determine the unstable regions and the critical values for each flow regime. The physical mechanisms behind the transition processes were studied by means of direct numerical simulations to characterize the bifurcations. Since the bifurcations had subcritical behaviour, the relevance of non-normal growth in these flows was assessed. Dependence on phase, Reynolds number and spanwise wavenumber of optimal modes were extensively investigated in stable regions of the three flow regimes. Convective instabilities were also studied in order to comprehend the physical mechanisms which led the optimal modes to their maxima growth, and different convective mechanisms were found. The flow inside the paediatric ventricular assist device was analyzed by means of threedimensional numerical simulations. A computational model based on special boundaries conditions was developed to model the pulsatile flow. In this model, the opening and closure of the mitral valve and diaphragm were represented with the use of specially devised boundary conditions. The driving force and the flow direction of the diaphragm were defined by velocity distribution on the diaphragm wall, and the opening and closure of the mitral valve were performed by a velocity waveform which goes to zero in the systolic period. Flow patterns, velocity fields and time-average wall shear rate were analyzed to evaluate the performance of the device. / Modelagem e simulação numéricas são ferramentas poderosas para análise e design, e com a melhoria do poder computacional e dos métodos numéricos, eles estão sendo aplicados em fenômenos e sistemas complexos. Este trabalho mostra exemplos de aplicações de um método numérico sofisticado, o método dos elementos espectrais/hp, no estudo do escoamento dentro de geometrias complexas bio-inspiradas. Os dois tópicos investigados são: instabilidades em dinâmica de fluido em um canal constrito e o escoamento dentro de um dispositivo de assistência ventricular pediátrica. O canal constrito é um modelo idealizado de uma cavidade nasal, que é caracterizada por canais complexos da via aérea, e também tem semelhança com uma artéria humana na presença de placas ateroscleróticas. O dispositivo de assistência ventricular pediátrica é um dispositivo real, projetado pelo grupo de pesquisa de Bioengenharia do Instituto do Coração da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, que funciona como uma bomba que auxilia o ventrículo esquerdo dos pacientes à espera de transplante. Portanto, o objetivo desta tese é contribuir na compreensão de escoamentos em geometrias biológicas e bio-inspiradas, usando ferramentas computacionais. Análises de estabilidade linear e não linear foram feitas para um canal constrito. Três diferentes regimes de escoamento foram empregados: escoamento estacionário simétrico, que é estável para baixo número de Reynolds, escoamento assimétrico, o qual é resultado da primeira bifurcação do escoamento simétrico e escoamento pulsátil. Análise de estabilidade direta foi executada para determinar as regiões instáveis em cada regime de escoamento. Os mecanismos físicos por trás do processo de transição foram estudados por meio de simulação numérica direta para caracterizar as bifurcações. Uma vez que, as bifurcações tiveram um comportamento subcrítico, a relevância do crescimento não normal nestes escoamentos foi avaliado. Assim, dependência com a fase, número de Reynolds e número de onda do modo tridimensional foram extensivamente investigados em regiões estáveis para os três regimes de escoamento. Instabilidades convectivas foram também estudadas a fim de compreender os mecanismos físicos que conduzem os modos ótimos para seus crescimentos máximos, e diferentes mecanismos convectivos foram encontrados. O escoamento dentro do dispositivo de assistência ventricular pediátrico foi analisado por meios de simulações numéricas tridimensionais. Um modelo computacional baseado em condições de contorno especiais foi desenvolvido para modelar o escoamento pulsátil. Neste modelo, a abertura e fechamento da válvula mitral e diafragma foram representados com o uso de condições de contorno especialmente elaboradas. A força motora e o direcionamento do fluxo do diafragma foram definidos por uma distribuição de velocidades na parede do diafragma, e a abertura e fechamento da válvula mitral foram executadas por uma função de onda de velocidade que vai a zero no período sistólico. Padrões do escoamento, campos de velocidade e tensão de cisalhamento no tempo foram analisadas para avaliar o desempenho do dispositivo.

Analisamos as alterações cardíacas pós-indução de enfisema por instilação de papaína. Foram avaliados 75 ratos (grupos papaína e controle), sacrificados 30, 60, 90, 120 ou 180 dias pós-instilação. Foram realizados: gasometria do sangue arterial, avaliação morfométrica cardíaca e pulmonar. A papaína produziu destruição alveolar compatível com enfisema, sem repercussão nas trocas gasosas. Ventrículo direito e septo interventricular não apresentaram alterações significativas. Houve redução da área do ventrículo esquerdo, 90 dias pós-indução, e discreto espessamento de sua parede. / Cardiac alterations post-induction emphysema by instillation of papain were analyzed. Seventy-five rats (groups papain and control), sacrificed 30, 60, 90, 120 or 180 days post-instillation were evaluated. Arterial blood gases, cardiac and pulmonary morphometrical analysis were performed. Papain administration produced alveolar destruction compatible with emphysema, without arterial blood gases changes. Right ventricle and interventricular septum didn't show alterations. There were left ventricular area decrease (90 days post-induction) and light thickness increase of its wall.

Analisamos as alterações cardíacas pós-indução de enfisema por instilação de papaína. Foram avaliados 75 ratos (grupos papaína e controle), sacrificados 30, 60, 90, 120 ou 180 dias pós-instilação. Foram realizados: gasometria do sangue arterial, avaliação morfométrica cardíaca e pulmonar. A papaína produziu destruição alveolar compatível com enfisema, sem repercussão nas trocas gasosas. Ventrículo direito e septo interventricular não apresentaram alterações significativas. Houve redução da área do ventrículo esquerdo, 90 dias pós-indução, e discreto espessamento de sua parede. / Cardiac alterations post-induction emphysema by instillation of papain were analyzed. Seventy-five rats (groups papain and control), sacrificed 30, 60, 90, 120 or 180 days post-instillation were evaluated. Arterial blood gases, cardiac and pulmonary morphometrical analysis were performed. Papain administration produced alveolar destruction compatible with emphysema, without arterial blood gases changes. Right ventricle and interventricular septum didn't show alterations. There were left ventricular area decrease (90 days post-induction) and light thickness increase of its wall.