[論文レビュー] Effect of Foam Insertion in Aneurysm Sac on Flow Structures in Parent Lumen: Relating Vortex Structures with Disturbed Shear

Pawan Kumar Pandey, Malay K. Das|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2021

Intracranial Aneurysms: Treatment and Complications参考文献 77被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、脳動脈瘤における形状記憶ポリマー（SMP）フォーム塞栓術が、親動脈路内の渦構造に与える影響を、渦核線（VCL）トポロジーを用いて血流ダイナミクスと血行動態的障害を結びつけることにより調査している。フォーム挿入により、動脈瘤袋底部の親動脈路（SBPL）におけるVCL数とずれが増加し、これは振動せん断指数（OSI）の上昇と時間平均壁せん断応力（TAWSS）の低下と相関しており、ずれたVCLが血流障害および内皮 dysfunktion を引き起こす可能性があることを示唆している。

ABSTRACT

Numerous studies suggest that disturbed shear, causing endothelium dysfunction, can be related to neighboring vortex structures. With this motivation, this study presents a methodology to characterize the vortex structures. Precisely, we use mapping and characterization of vortex structures' changes to relate it with the hemodynamic indicators of disturbed shear. Topological features of vortex core lines (VCLs) are used to quantify the changes in vortex structures. We use the Sujudi-Haimes algorithm to extract the VCLs from the flow simulation results. The idea of relating vortex structures with disturbed shear is demonstrated for cerebral arteries with aneurysms virtually treated by inserting foam in the sac. To get physiologically realistic flow fields, we simulate blood flow in two patient-specific geometries before and after foam insertion, with realistic velocity waveform imposed at the inlet, using the Carreau-Yashuda model to mimic the shear-thinning behavior. With homogenous porous medium assumption, flow through the foam is modeled using the Forcheimmer-Brinkmann extended Darcy model. Results show that foam insertion increases the number of VCLs in the parent lumen. The average length of VCL increases by 168.9% and 55.6% in both geometries. For both geometries under consideration, results demonstrate that the region with increased disturbed shear lies in the same arterial segment exhibiting an increase in the number of oblique VCLs. Based on the findings, we conjecture that an increase in oblique VCLs is related to increased disturbed shear at the neighboring portion of the arterial wall.

研究の動機と目的

• SMPフォーム塞栓術が脳動脈瘤の親動脈路内の渦構造に与える影響を調査すること。
• 渦トポロジーの変化を、TAWSS、OSI、TASWSSなどの血流障害指標と関連付けること。
• VCLに基づくトポロジカル特徴化手法を構築・適用し、フォーム挿入後の渦構造の進化を定量化すること。
• 増加するずれたVCLが、血行動態的障害領域（内皮機能障害リスク）と相関するかどうかを評価すること。

提案手法

• 剪切薄性を示す血液挙動を再現するCarreau-Yashudaモデルを用いた、患者特異的脳動脈瘤幾何形状と実際の脈動流のシミュレーション。
• 均一な多孔質媒体仮定の下で、Forchheimer-Brinkman拡張Darcyモデルを用いてフォームによる流れの抵抗をモデル化。
• 渦同定にSujudi-Haimesアルゴリズムを用いて、シミュレーションデータから渦核線（VCL）を抽出。
• 不正なVCLを除去し、トポロジーの正確性を向上させるために、平均ヘリシティに基づく後処理フィルタを適用。
• UPL、SBPL、DPL領域における、VCLの長さ、方向（親動脈路中心線に対して垂直またはずれた方向）、空間的分布を用いてVCLトポロジーを定量化。
• トポロジカルなVCL変化を、ΔTAWSS、ΔOSI、ΔTASWSSといった血行動態指標と相関させ、血流障害領域を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMPフォーム挿入は、脳動脈瘤の親動脈路内の渦構造トポロジーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 VCLの数と方向性と、血流壁せん断応力指標の変化との間にはどのような関係があるか？
• RQ3 ずれたVCLの増加は、血流障害（例：TAWSS低下、OSI上昇）を示す領域と相関するか？
• RQ4 異なる血行動態的反応を示す患者特異的幾何形状において、VCL特性にはどのような差が生じるか？

主な発見

• フォーム挿入により、幾何形状-1では親動脈路のVCL数が168.9%増加、幾何形状-2では55.6%増加した。
• フォーム挿入後、幾何形状-1ではVCL平均長さが168.9%増加、幾何形状-2では55.6%増加した。
• VCLの増加、特にずれたVCLの増加が最も顕著に観察されたのは、動脈瘤袋底部の親動脈路（SBPL）であり、ここはΔTAWSSの最大低下とΔOSIの上昇と一致した。
• OSI上昇とTAWSS低下—血流障害を示す指標—を示す領域は、ズレたVCLが増加している領域と空間的に一致した。
• ΔTASWSSはSBPLでのみ非ゼロであった。これは、渦構造の変化に関連する方位方向循環に起因する二次的壁せん断応力の増強を示している。
• 幾何形状-1では幾何形状-2よりもずれたVCLの増加が顕著であった。これは、末梢血管構造の影響がある可能性を示唆している。