[論文レビュー] A multiscale model of vascular function in chronic thromboembolic pulmonary hypertension

Mitchel J. Colebank, M. Umar Qureshi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Pulmonary Hypertension Research and Treatments参考文献 76被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、慢性血栓塞栓性肺高血圧症（CTEPH）の血行動態を模擬するために、患者特異的なCT由来の大動脈を統合し、フラクタル構造木型の小動脈モデルを組み合わせたマルチスケール計算モデルを開発した。リング状およびウェブ状の病変および血管のremodelingを組み込むことで、バルーン肺動脈形成術（BPA）後の血行動態の変化を予測し、主肺動脈圧、波の反射インデックス、および新規の血流不均一性指標を組み合わせて最適な病変標的を同定した。シミュレートされたBPA後に血行動態が改善されたことが示された。

ABSTRACT

Chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH) is caused by recurrent or unresolved pulmonary thromboemboli, leading to perfusion defects and increased arterial wave reflections. CTEPH treatment aims to reduce pulmonary arterial pressure and reestablish adequate lung perfusion, yet patients with distal lesions are inoperable by standard surgical intervention. Instead, these patients undergo balloon pulmonary angioplasty (BPA), a multi-session, minimally invasive surgery that disrupts the thromboembolic material within the vessel lumen using a catheter balloon. However, there still lacks an integrative, holistic tool for identifying optimal target lesions for treatment. To address this insufficiency, we simulate CTEPH hemodynamics and BPA therapy using a multiscale fluid dynamics model. The large pulmonary arterial geometry is derived from a computed tomography (CT) image, whereas a fractal tree represents the small vessels. We model ring- and web-like lesions, common in CTEPH, and simulate normotensive conditions and four CTEPH disease scenarios; the latter includes both large artery lesions and vascular remodeling. BPA therapy is simulated by simultaneously reducing lesion severity in three locations. Our predictions mimic severe CTEPH, manifested by an increase in mean proximal pulmonary arterial pressure above 20 mmHg and prominent wave reflections. Both flow and pressure decrease in vessels distal to the lesions and increase in unobstructed vascular regions. We use the main pulmonary artery (MPA) pressure, a wave reflection index, and a measure of flow heterogeneity to select optimal target lesions for BPA. In summary, this study provides a multiscale, image-to-hemodynamics pipeline for BPA therapy planning for inoperable CTEPH patients.

研究の動機と目的

• 大動脈および小動脈の動態を統合した、CTEPHに特化した患者特異的マルチスケール血行動態モデルの構築。
• 血栓塞栓性病変および血管のremodelingが肺血行動態に与える影響のシミュレーション。
• 手術不能なCTEPH患者におけるバルーン肺動脈形成術（BPA）が血行動態パラメータに与える影響の評価。
• 主肺動脈圧、波の反射インデックス、および血流不均一性指標の組み合わせを用いて、BPAの最適な標的病変を同定すること。
• 遠位CTEPH病変におけるBPA療法計画のための予測パイプラインの確立。

提案手法

• 大動脈の幾何形状は、患者のCTスキャンから再構築される。
• 小動脈はフラクタル構造木モデルで表現され、1次元流体動力学方程式によって血行動態が支配される。
• リング状およびウェブ状の病変が、セグメンタルおよびサブセグメンタル枝にモデル化され、CTEPH病態を模擬する。
• 1次元波動伝播方程式を周波数ドメイン解析と結合して、圧力、血流、インピーダンスを計算する。
• 波強度解析（WIA）および血流不均一性の新規定量的指標が計算され、血行動態的影響が評価される。
• BPA療法は、3か所の病変の重症度を同時に低下させることでシミュレートされ、介入後の血行動態が評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 肺動脈におけるリング状およびウェブ状の病変が、CTEPHにおける平均肺動脈圧や波の反射といった血行動態パラメータにどのように影響を与えるか？
• RQ2 小動脈のremodelingが、CTEPHにおける肺血管抵抗の増加および血流不均一性にどの程度寄与しているか？
• RQ3 マルチスケールモデルは、手術不能なCTEPH患者におけるシミュレートされたBPA後の血行動態変化を正確に予測できるか？
• RQ4 主肺動脈圧、波の反射インデックス、および血流不均一性といった血行動態インデックスの中で、どの指標が最適なBPA標的病変を同定するのに最も適しているか？
• RQ5 本モデルが予測するBPA後の血行動態改善は、臨床的観察とどのように一致するか？

主な発見

• 大動脈病変と小動脈のremodelingを併せ持つシミュレートCTEPHでは、平均近位肺動脈圧が20 mmHgを超えることが確認され、臨床的CTEPHの閾値と一致した。
• モデルは、臨床的CTEPH血行動態に一致する、顕著な波の反射および増加した肺血管抵抗を予測した。
• 病変の遠位部の血管では血流が減少し、閉塞していない領域では血流が増加し、灌注不均一性が反映された。
• 新規の血流不均一性の定量的指標は、肺における局所的灌注障害を効果的に捉えた。
• 波強度解析の結果は、CTEPH患者における臨床的測定値の波強度と整合した。
• シミュレートされたBPA後、肺動脈圧および波の反射が低下し、血行動態が改善された。これは、病変の優先順位付けを支援するものであった。