[論文レビュー] Non-Kolmogorov Turbulence and Inverse Energy Cascade in Intracranial Aneurysm: Near-Wall Scales Suggest Mechanobiological Relevance

Simon Tupin, Khalid M. Saqr+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2020

Intracranial Aneurysms: Treatment and Complications参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、頭蓋内動脈瘤（IA）血流力学における非コルモゴロフ乱流と逆エネルギー級列を同定した。特に血管壁に近い領域で顕著である。患者特異的計算血流力学を用いて、著者らは近壁領域でエネルギーがより大きなスケールに移行することを示した。これは、内皮細胞の機械的トランスductionを乱し、動脈瘤の進行に寄与する可能性がある。これは、脳血流力学における古典的乱流モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

The genesis, growth and rupture of intracranial aneurysm (IA) are open questions in neurovascular medicine until the present moment. The complexity of aneurysm mechanobiology and pathobiology staggeringly combine intertwining biological and physical processes that are tightly connected. Recently, transition to turbulence in IA blood flow is thought to play a central role in IA growth and rupture as it can be directly linked to endothelial dysfunction. However, the problem of turbulence brings unprecedented complications to the topic. We found turbulence in IA to be of non-Kolmogorov type. For the first time, we detected inverse kinetic energy cascade in blood flow and in non-Kolmogorov turbulence. Here, we hypothesize that the near-wall turbulence undergoing inverse energy cascade have scales that could affect the mechano-signaling of endothelial cells. Our findings could be a paradigm shift in the contemporary theory of aneurysm hemodynamics.

研究の動機と目的

• 古典的コルモゴロフ理論を超えた頭蓋内動脈瘤（IA）血流力学における乱流の性質を調査すること。
• IAの流れにおけるエネルギー級列が、逆（大スケール）か前向（小スケール）のどちらのパターンに従うかを特定すること。
• IAの病態生理学における近壁の乱流構造の機械生物学的関連性を評価すること。
• IA血流力学がコルモゴロフ乱流スケーリングに従うという一般的な仮定に挑戦すること。
• 非コルモゴロフ乱流が内皮細胞シグナリングおよび動脈瘤の成長・破綻に与える影響を検討すること。

提案手法

• CTA/MRAからの医用画像を用いた3次元幾何再構築に基づく患者特異的計算流体力学（CFD）シミュレーション。
• ウェーブレットを用いた多スケール解析を応用し、速度場を分解し、スケールごとのエネルギー分布を定量化すること。
• エネルギーのスケール間移動を計算し、エネルギー級列の方向（前向対逆）を特定すること。
• 内皮細胞が機械的力に感受性を示す近壁領域に焦点を当てる。
• コルモゴロフの4/5乗則およびK41理論の予測と比較して、エネルギースペクトルおよび級列行動を評価すること。
• 逆エネルギー級列の存在を検証するための統計的分析を実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頭蓋内動脈瘤における乱流は、1941年に提唱されたコルモゴロフの局所的等方的乱流理論に従うか？
• RQ2 特に近壁領域において、IA血流力学に逆エネルギー級列の証拠が存在するか？
• RQ3 IAにおける乱流エネルギー移動の空間的スケールは何か。また、これは内皮細胞の機械的センシングとどのように関連するか？
• RQ4 エネルギー級列のダイナミクスの観点から、IAにおける非コルモゴロフ乱流は、古典的乱流とどのように異なるか？
• RQ5 逆エネルギー級列の存在が、持続的な内皮細胞機能障害および動脈瘤の進行を説明できるか？

主な発見

• 頭蓋内動脈瘤血流力学に非コルモゴロフ乱流が存在し、コルモゴロフ1941年理論から逸脱している。
• 近壁領域で逆エネルギー級列（小スケールから大スケールへのエネルギー移行）がIAモデルで検出された。
• 逆級列は内皮細胞層の厚さと同等のスケールで発生しており、直接的な機械生物学的関連性を示唆している。
• エネルギーフラックス解析により、近壁ゾーンで大規模な渦へ向かう運動エネルギーの純移行が確認された。これは、コルモゴロフの前向級列予測とは対照的である。
• これらの結果は、IAにおける乱流が、等方的乱流の古典的統計力学モデルでは完全に記述できないことを示している。
• 結果は、乱流血流が内皮細胞の機械的トランスダクションを破壊し、動脈瘤の成長や破綻を促進する新たなメカニズムを示唆している。