[論文レビュー] A coupled mitral valve -- left ventricle model with fluid-structure interaction

Hao Gao, Liuyang Feng+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2017

Cardiac Valve Diseases and Treatments被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、健常被験者の生体内心臓MRIデータを用いて、血液流体と構造物の相互作用（FSI）を組み合わせた、初めての三次元、流体-構造連成（FSI）モデルを二尖瓣（MV）と左室内（LV）に適用した。流体-境界法と有限要素法を併用して、生理的血行動態と心筋収縮をシミュレートした。モデルは、心筋収縮の能動的リラクゼーション障害が、正常な心排出量を維持するため、拡張期の血流圧を著しく上昇させることを示した。これは臨床的観察と整合的である。

ABSTRACT

Understanding the interaction between the valves and walls of the heart is important in assessing and subsequently treating heart dysfunction. With advancements in cardiac imaging, nonlinear mechanics and computational techniques, it is now possible to explore the mechanics of valve-heart interactions using anatomically and physiologically realistic models. This study presents an integrated model of the mitral valve (MV) coupled to the left ventricle (LV), with the geometry derived from in vivo clinical magnetic resonance images. Numerical simulations using this coupled MV-LV model are developed using an immersed boundary/finite element method. The model incorporates detailed valvular features, left ventricular contraction, nonlinear soft tissue mechanics, and fluid-mediated interactions between the MV and LV wall. We use the model to simulate the cardiac function from diastole to systole, and investigate how myocardial active relaxation function affects the LV pump function. The results of the new model agree with in vivo measurements, and demonstrate that the diastolic filling pressure increases significantly with impaired myocardial active relaxation to maintain the normal cardiac output. The coupled model has the potential to advance fundamental knowledge of mechanisms underlying MV-LV interaction, and help in risk stratification and optimization of therapies for heart diseases.

研究の動機と目的

• 生体に即した、完全に結合された二尖瓣-左心室（MV-LV）モデルを、生体イメージングデータを用いて、流体-構造連成（FSI）で開発すること。
• 心筋の能動的リラクゼーション機能障害が、LVポンプ機能と血行動態に与える影響を調査すること。
• モデルを生体測定値と比較して妥当性を検証し、臨床的血行動態傾向を再現できるかを評価すること。
• 心疾患のリスク評価および治療法最適化への臨床的応用を進めるため、全身心臓のマルチフィジックスモデリングを発展させること。

提案手法

• モデルは、健康な被験者の生体心臓磁気共鳴（CMR）画像から再構築された患者特異的幾何形状を用いる。
• 流体-構造連成は、血液流れ、MVの動態、LV壁の変形を結合するハイブリッド流体-境界法と有限要素法を用いてシミュレートする。
• MVおよびLVにおける非線形的で繊維強化型の超弾性関係を用いて、被動的軟組織力学を記述する。
• 心筋の能動的収縮は、心筋繊維の全層にわたる配向と、実験データに基づく能動的応力発生を用いてモデル化する。
• 生理的拡張・収縮期を再現するために境界条件を適用し、時間変動する内膜圧および流入・流出路を設定する。
• シミュレーションは、拡張期から収縮期までをカバーする心拍周期全体を含み、MV閉鎖、LV射出、心室内流れのパターンを捉える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 能動的リラクゼーション障害が、結合されたMV-LVモデルにおける拡張期の血流圧と心排出量に与える影響は何か？
• RQ2 FSIと現実的なLV壁の動態を組み込むことで、簡略化モデルと比較して血行動態の正確性がどの程度向上するか？
• RQ3 CMRからの生体測定値と比較して、シミュレートされたMV開口部サイズと僧帽弁通過血流速度はどの程度一致するか？
• RQ4 LV収縮と統合された場合、副二尖瓣装具（腱索）はMVの動態にどのような役割を果たすか？
• RQ5 臨床的に観察される三相性拡張期血流パターン（急速充満、遅い充満、心房収縮）をモデルが再現できるか？

主な発見

• モデルは、MV閉鎖やLV射出といった心拍周期の主要な血行動態的特徴を、生体CMR測定値と良好な定性的一致で再現した。
• 簡略化された腱索構造を用いても、生理的条件下でのMV-LV相互作用の本質的動態を捉えることができた。
• 結合モデルにおける最大僧帽弁通過血流速度（200 mL/s）は、MVチューブモデル（600 mL/s）より低く、LV壁の動態に起因する抵抗増加を示した。
• 心筋の能動的リラクゼーション障害は、正常な心排出量を維持するため、拡張期の血流圧を著しく上昇させることを示した。これは臨床的観察と一致した。
• モデルは、心房収縮が総合的僧帽弁通過血流の約10％を占める予測をした。これは臨床的生理学と整合的であった。
• 最大血流速度の乖離は、簡略化された腱索再構築とLV壁に対する被動的仮定に起因するとされ、より高精度な患者特異的イメージングとモデリングの必要性が示された。