[논문 리뷰] A multiscale model of vascular function in chronic thromboembolic pulmonary hypertension

Mitchel J. Colebank, M. Umar Qureshi외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 12.

Pulmonary Hypertension Research and Treatments참고 문헌 76인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 만성 혈전색전성 폐고혈압(CTEPH)에서 혈역학을 시뮬레이션하기 위해 환자별 CT 유도 대혈관과 분수형으로 구조화된 소혈관 모델을 통합한 다스케일 계산 모델을 개발한다. 고리형 및 웹형 병변과 혈관 리모델링을 통합함으로써, 발작성 폐angioplasty(BPA) 후 혈역학적 변화를 예측하고, 주요 폐동맥압, 파동 반사 지수, 그리고 새로운 유량 비균형도 지표를 조합하여 최적의 병변 타겟을 규명한다 — 시뮬레이션된 BPA 이후 혈역학이 향상됨을 입증한다.

ABSTRACT

Chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH) is caused by recurrent or unresolved pulmonary thromboemboli, leading to perfusion defects and increased arterial wave reflections. CTEPH treatment aims to reduce pulmonary arterial pressure and reestablish adequate lung perfusion, yet patients with distal lesions are inoperable by standard surgical intervention. Instead, these patients undergo balloon pulmonary angioplasty (BPA), a multi-session, minimally invasive surgery that disrupts the thromboembolic material within the vessel lumen using a catheter balloon. However, there still lacks an integrative, holistic tool for identifying optimal target lesions for treatment. To address this insufficiency, we simulate CTEPH hemodynamics and BPA therapy using a multiscale fluid dynamics model. The large pulmonary arterial geometry is derived from a computed tomography (CT) image, whereas a fractal tree represents the small vessels. We model ring- and web-like lesions, common in CTEPH, and simulate normotensive conditions and four CTEPH disease scenarios; the latter includes both large artery lesions and vascular remodeling. BPA therapy is simulated by simultaneously reducing lesion severity in three locations. Our predictions mimic severe CTEPH, manifested by an increase in mean proximal pulmonary arterial pressure above 20 mmHg and prominent wave reflections. Both flow and pressure decrease in vessels distal to the lesions and increase in unobstructed vascular regions. We use the main pulmonary artery (MPA) pressure, a wave reflection index, and a measure of flow heterogeneity to select optimal target lesions for BPA. In summary, this study provides a multiscale, image-to-hemodynamics pipeline for BPA therapy planning for inoperable CTEPH patients.

연구 동기 및 목표

• 대혈관 및 소혈관 역학을 통합한 환자별 다스케일 혈역학 모델을 개발하여 CTEPH에 적용한다.
• 색전성 병변과 혈관 리모델링이 폐 혈역학에 미치는 영향을 시뮬레이션한다.
• 불가능한 CTEPH 환자에서 발작성 폐angioplasty(BPA)가 혈역학 파라미터에 미치는 영향을 평가한다.
• 주요 폐동맥압, 파동 반사 지수, 유량 비균형도 지표의 조합을 통해 최적의 BPA 병변 타겟을 규명한다.
• 말초 CTEPH 병변에 대한 BPA 치료 계획을 위한 예측 파이프라인을 수립한다.

제안 방법

• 대혈관 해부학적 구조는 환자 CT 스캔에서 재구성된다.
• 소혈관은 분수형으로 구조화된 트리 모델로 표현되며, 혈역학은 1차원 유체역학 방정식에 의해 제어된다.
• 고리형 및 웹형 병변은 세그먼트 및 서브세그먼트 분지에서 모델링되어 CTEPH 병리학을 시뮬레이션한다.
• 모델은 1차원 파동 전파 방정식과 주파수 도메인 분석을 결합하여 압력, 유량, 임피던스를 계산한다.
• 파동 강도 분석(WIA)과 새로운 유량 비균형도 정량 지표가 계산되어 혈역학적 영향을 평가한다.
• BPA 치료는 동시에 세 곳의 병변 정도를 감소시켜 시뮬레이션하며, 치료 후 혈역학이 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폐동맥의 고리형 및 웹형 병변이 CTEPH에서 평균 폐동맥압과 파동 반사와 같은 혈역학적 파라미터에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 소혈관 리모델링이 CTEPH에서 폐 혈관 저항 증가와 유량 비균형도에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 다스케일 모델은 불가능한 CTEPH 환자에서 시뮬레이션된 BPA 이후 혈역학 변화를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 주요 폐동맥압, 파동 반사 지수, 유량 비균형도 중 어느 혈역학 지표가 최적의 BPA 병변 타겟을 가장 잘 규명하는가?
• RQ5 모델의 BPA 후 혈역학 개선 예측은 임상 관찰과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 대혈관 병변과 소혈관 리모델링을 함께 시뮬레이션한 경우, 중심부 폐동맥압이 20 mmHg 이상으로 상승하여 임상적 CTEPH 기준과 일치한다.
• 모델은 뚜렷한 파동 반사와 증가한 폐 혈관 저항을 예측하며, 임상적 CTEPH 혈역학과 일치한다.
• 병변 후방의 혈관에서 유량 감소와 차단되지 않은 영역에서의 유량 증가가 관찰되어 순환 비균형도가 반영된다.
• 유량 비균형도에 대한 새로운 정량 지표는 폐의 국소 순환 결핍을 효과적으로 포착한다.
• 파동 강도 분석 결과는 CTEPH 환자에서 임상 측정된 파동 강도와 일치한다.
• 시뮬레이션된 BPA 이후 모델은 폐동맥압과 파동 반사 감소 등 향상된 혈역학을 보여주며, 병변 우선순위 결정을 뒷받침한다.