[論文レビュー] Patient specific numerical simulation of flow in the human upper airways for assessing the effect of nasal surgery

Maria Rolstad Jordal, Sverre Gullikstad Johnsen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2017

Obstructive Sleep Apnea Research参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、閉塞性睡眠呼吸無呼吸症候群（OSAS）を有する患者の術前および術後CTスキャンをもとに、患者特異的な計算流体力学（CFD）シミュレーションを用いて鼻科手術の血行動態的効果を評価した。結果として、手術後は両側鼻腔間の血流分配が改善されたが、シミュレートされた圧力勾配は上昇した。この乖離は、CT撮影および幾何再構築の限界に起因する可能性が高い。

ABSTRACT

The study is looking into the potential of using computational fluid dynamics (CFD) as a tool for predicting the outcome of surgery for alleviation of obstructive sleep apnea syndrome (OSAS). From pre- and post-operative computed tomography (CT) of an OSAS patient, the pre- and post-operative geometries of the patient's upper airways were generated. CFD simulations of laminar flow in the patient's upper airway show that after nasal surgery the mass flow is more evenly distributed between the two nasal cavities and the pressure drop over the nasal cavity has increased. The pressure change is contrary to clinical measurements that the CFD results have been compared with, and this is most likely related to the earlier steps of modelling - CT acquisition and geometry retrieval.

研究の動機と目的

• 計算流体力学（CFD）が閉塞性睡眠呼吸無呼吸症候群（OSAS）における手術予後を予測するツールとしての可能性を評価すること。
• 患者特異的な解剖学的モデルを用いて、鼻科手術後の上気道における血行動態的変化を調査すること。
• CFDのシミュレーション結果と臨床的測定値を比較し、モデルの予測精度を検証すること。
• 同一患者におけるシミュレートされた圧力変化と測定された圧力変化の間の乖離の原因を特定すること。

提案手法

• 1人のOSAS患者の術前および術後のCTスキャンの取得。
• CTデータのセグメンテーションから得られる、上気道の患者特異的3次元幾何形状の生成。
• 再構築された気道モデルを用いた定常状態の層流CFDシミュレーションによる気流のモデル化。
• 手術前後における鼻腔内での質量流量分布および圧力勾配の分析。
• 同一患者の臨床的測定値と比較して、CFDで予測された圧力変化を評価。
• 血行動態的仮定に基づく標準化されたCFDソルバおよび境界条件の使用による流れのシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鼻科手術は、OSASを有する患者の両側鼻腔間の気流分配にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CFDシミュレーションは、手術後の鼻腔内圧力勾配の変化をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 なぜ同一患者においてCFDで予測された圧力変化と臨床的測定値に差異が生じるのか？
• RQ4 CT撮影および幾何再構築は、CFDシミュレーション結果に誤差をもたらす要因として果たす役割は何か？

主な発見

• 術後のCFDシミュレーションでは、術前と比較して両鼻腔間の質量流量がより均等に分配された。
• シミュレーションでは、手術後、鼻腔内圧力勾配が上昇したが、これは臨床的測定とは逆であった。
• シミュレーションと臨床データの圧力変化の乖離は、主に初期のモデリング段階における不正確さ、特にCT撮影および幾何再構築の問題に起因するとされた。
• 圧力の不一致にもかかわらず、シミュレーションは改善された流量の対称性を的確に捉えており、CFDが手術予後評価の可能性を有することを示唆している。
• 本研究は、医療画像からの患者特異的解剖再構築の品質に、CFD結果が極めて敏感であることを強調している。
• 本研究の結果は、臨床応用におけるCFDの正確性を高めるために、画像セグメンテーションおよび幾何モデリング技術の改善が不可欠であることを示している。