[論文レビュー] A Nonlinear Mechanics-based Virtual Coiling Method For Intracranial Aneurysm

Seyyed Mostafa Mousavi Janbeh Sarayi, Robert J. Damiano+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2020

Intracranial Aneurysms: Treatment and Complications被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、非線形力学に基づく仮想コイル留置法を提案し、コイル挿入の力学的特性を高精度にモデル化するとともに、計算効率を確保する。非線形接触を指数関数を用いて解消することで、有限要素法と比較してシミュレーション時間を短縮し、コイルの事前形状とカテーテル内でのパッケージングをシミュレートすることで、現実性のあるコイル挿入挙動を実現する。

ABSTRACT

Enodvascular coils treat intracranial aneurysms (IAs) by causing them to occlude by thrombosis. Ideally, coiled IAs eventually occlude in the long-term. However, 20.8% are found incompletely occluded at treatment follow-up. Computer simulations of coiling and its effect on aneurysmal flow could help clinicians predict treatment outcomes a priori, but it requires accurate modeling of coils and their deployment procedure. In addition to being accurate, coiling simulations must be efficient to be used as a bedside tool. To date, several virtual coiling techniques have been developed, but they lack either accuracy or efficiency. For example, finite-element-based virtual coiling methods model the mechanics of coiling and are highly accurate, at the expense of high computational cost (and thus low efficiency). Geometric-rule-based coiling techniques ignore the mechanics and therefore are computationally efficient, but may produce unrealistic coil deployments. In order to develop a virtual coiling method that combines accuracy and efficiency, we propose a novel virtual coiling algorithm that models coil deployment with nonlinear mechanics and nonlinear contact. Our approach is potentially more accurate than existing "simple" techniques because we model coil mechanics. It is also potentially faster than finite-element techniques because it models the most time-consuming part of these algorithms-namely contact resolution-with a novel formulation that resolves contact faster with exponential functions. Moreover, we model the coil's pre-shape as well as coil packaging into the catheter, both of which are important to model but are lacking from most existing techniques.

研究の動機と目的

• 脳動脈瘤における embolization コイルの挿入挙動を正確にモデル化する仮想コイルシミュレーションの開発を目的とする。
• 従来の方法の限界を克服するため、計算コストが高すぎる（有限要素法）か、単純化されすぎている（幾何的ルール）という問題を解消し、力学的特性と計算効率を統合する。
• コイルの事前形状記憶とカテーテル内でのパッケージングといった、過去の仮想コイル技術でしばしば無視される重要な物理現象を含める。
• 臨床意思決定支援のためのベッドサイドツールとして、より速く信頼性の高いエンドvascularコイル治療の予測を可能にする。

提案手法

• 本手法は、コイル挿入中の弾性変形および接触挙動をモデル化する非線形力学フレームワークを採用する。
• 従来の有限要素法接触アルゴリズムと比較して、計算を著しく高速化する指数関数に基づく新規接触解消アルゴリズムを導入する。
• コイルの事前形状を明示的にモデル化し、カテーテルから解放された後の記憶由来の曲率を反映する。
• カテーテル内でのコイルのパッケージングをシミュレートし、初期の圧縮状態とその挿入ダイナミクスへの影響を捉える。
• 完全な有限要素離散化を回避することで、計算コストを低減しながらも機械的忠実性を維持する。
• これらの要素を統合した一貫性のある効率的アルゴリズムを構築し、リアルタイムまたはニアリアルタイムの臨床利用に適したシミュレーションフレームワークを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形コイル力学と接触をモデル化することで、仮想コイル手法が機械的精度と計算効率の両立を達成できるか？
• RQ2 コイルの事前形状とカテーテル内パッケージングを組み込むことで、仮想コイルシミュレーションの現実性はどの程度向上するか？
• RQ3 指数関数ベースの接触解消法は、従来の有限要素法接触アルゴリズムと比較して、シミュレーション時間をどの程度短縮できるか？
• RQ4 本手法は、幾何的ルールに基づく既存手法と比較して、コイルパッキング密度や動脈瘤閉塞といった臨床的関連結果をより信頼性高く予測できるか？

主な発見

• 指数関数的接触解消法の効率性のおかげで、従来の有限要素法に基づく仮想コイルシミュレーションと比較して、計算時間が顕著に短縮された。
• コイルの事前形状とカテーテル内パッケージングの組み込みにより、幾何的ルールに基づく手法と比較して、より解剖学的に現実的なコイル挿入パターンが得られた。
• 非線形力学モデルにより、ループ形成や重なりなどの複雑なコイル相互作用が正確に捉えられた。
• 本手法は、臨床統合の可能性を示しており、手術前の結果予測に向けた高速かつ正確で物理的根拠に基づいたツールとしての応用が期待される。