[論文レビュー] Fluid-structure interaction modelling and stabilisation of a patient-specific arteriovenous access fistula

W. P. Guess, B.D. Reddy+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2017

Central Venous Catheters and Hemodialysis参考文献 35被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、位相対照MRIデータを用いて、ANSYS Workbenchにおける半陽的ステッピング結合スキームを用いて有限体積法と有限要素法を統合した、患者特異的動脈静脈瘻孔の流体構造挙動（FSI）モデルを提示する。このモデルは、瘍孔の障害に寄与する重要な流れの再循環および壁面せん断応力パターンを的確に捉え、追加質量効果を克服する安定化技術により計算効率が向上した。

ABSTRACT

A patient-specific fluid-structure interaction (FSI) model of a phase-contrast magnetic resonance angiography (PC-MRA) imaged arteriovenous fistula is presented. The numerical model is developed and simulated using a commercial multiphysics simulation package where a semi-implicit FSI coupling scheme combines a finite volume method blood flow model and a finite element method vessel wall model. A pulsatile mass-flow boundary condition is prescribed at the artery inlet of the model, and a three-element Windkessel model at the artery and vein outlets. The FSI model is freely available for analysis and extension. This work shows the effectiveness of combining a number of stabilisation techniques to simultaneously overcome the added-mass effect and optimise the efficiency of the overall model. The PC-MRA data, fluid model, and FSI model results show almost identical flow features in the fistula; this applies in particular to a flow recirculation region in the vein that could potentially lead to fistula failure.

研究の動機と目的

• 臨床的MRIデータを用いて、患者特異的動脈静脈瘍孔の流体構造挙動（FSI）モデルを開発すること。
• 特に追加質量効果に起因する数値不安定性を解消するための的確な安定化技術を用いて、FSIシミュレーションにおける数値的不安定性に対処すること。
• 位相対照MRI（PC-MRA）血行動態データおよび流体のみのモデルと比較して、FSIモデルの妥当性を検証すること。
• 血管アセスメントにおける前もって応力を加える処理が、速度および壁面せん断応力（WSS）の予測に与える影響を評価すること。
• 今後の瘍孔成熟および障害メカニズムに関する研究の基盤を提供する、自由に利用可能な妥当化済みFSIモデルを提供すること。

提案手法

• ANSYS Workbenchに、半陽的ステッピングFSI結合アルゴリズムを実装し、ANSYS Fluent（血液流れのための有限体積法）とANSYS Mechanical（血管壁のための有限要素法）を統合した。
• 動脈入口に周期的質量流量境界条件を適用し、動脈および静脈出口には、下流血行動態を模倣するための三要素Windkesselモデルを用いた。
• 周囲組織の機械的支持を模倣するために、スプリング剛性に基づくロビン境界条件を適用し、モデルの複雑さを低減するとともに、過剰に制約されないシステムを維持した。
• 血管壁は、空間的に変化する厚さを持つ不可撓性等方性超弾性材料としてモデル化し、計算効率と正確性を高めるために、拡張仮想歪み要素を用いた。
• 過剰な変形を防ぎ、速度およびWSSの予測を改善するために、固体領域にプレストレス処理を適用した。
• 境界移行の段階的適用およびFSI境界安定化を含む、解の減衰技術を反復的流体ソルバーに統合し、安定性を向上させるとともに、計算コストを過度に増加させないよう工夫した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相対照MRIデータとマルチフィジックスシミュレーションソフトウェアを用いて、患者特異的FSIモデルをどのように正確に構築できるか？
• RQ2 動脈瘍孔における周期的血液流れのFSIシミュレーションにおいて、追加質量効果を緩和するための最も効果的な安定化技術は何か？
• RQ3 血管壁モデルにプレストレスを加えることで、FSIシミュレーションにおける速度および壁面せん断応力（WSS）分布の予測精度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 FSIモデルと流体のみのモデルは、PC-MRAデータで観察された血行動態的特徴（特に流れの再循環）をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 例えばスプリング剛性に基づくロビン型境界条件のような簡略化された境界条件は、周囲組織の支持を効果的に再現できるか？ また、計算コストを低減できるか？

主な発見

• FSIモデルは、PC-MRAデータで観察された主要な血行動態的特徴を的確に再現した。特に、内膜増殖および瘍孔障害に寄与すると考えられる静脈内に再循環領域が存在した。
• プレストレス処理をFSIモデルに組み込むことは、過剰な壁変形を防ぎ、速度および壁面せん断応力（WSS）分布の正確な予測を確保するために不可欠であった。
• 流体ソルバーに境界移行の段階的適用とFSI境界安定化を組み合わせることで、数値的不安定性が効果的に緩和され、収束性が向上したが、計算コストは著しく増加しなかった。
• 血管壁にスプリング剛性に基づくロビン境界条件を適用することで、周囲組織の支持を効果的に近似でき、モデルサイズと計算費用を削減しながらも、精度を維持した。
• モデル仮定の違いにもかかわらず、FSIモデルと流体のみのモデルの両方が、再循環領域を含む類似した流れの特徴を予測しており、適切に安定化された場合、血行動態的予測の堅牢性が示された。
• 妥当化済みのFSIモデルはZenodoを通じて自由に利用可能であり、今後の血管アセスメント成熟、障害メカニズム、および治療計画に関する研究の基盤を提供する。