[논문 리뷰] Comparison of 1D and 3D Models for the Estimation of Fractional Flow Reserve

Pablo Blanco, Carlos A. Bulant외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 29.

Coronary Interventions and Diagnostics참고 문헌 22인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 3차원(3D) 시뮬레이션에 비해 계산 비용이 크게 낮은 1차원(1D) 관상동맥 혈역학 모델이 분수류속도(FFR)를 평가하는 데 있어 시간이 오래 걸리는 3D 시뮬레이션의 정확한 대체 수단이 될 수 있음을 검증한다. CCTA 및 IVUS에서 확보한 환자별 3D 관상동맥 해부학적 구조를 바탕으로 한 연구에서 1D 모델은 3D FFR 예측 결과와 거의 완벽한 일치를 보였으며(평균 차이: 0.00 ± 0.03), 뛰어난 진단 성능을 보였다(AUC: 0.97, 정확도: 0.98). 이는 1D 모델이 임상적 FFR 평가에서 3D 시뮬레이션을 신뢰성 있게 대체할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In this work we propose to validate the predictive capabilities of one-dimensional (1D) blood flow models with full three-dimensional (3D) models in the context of patient-specific coronary hemodynamics in hyperemic conditions. Such conditions mimic the state of coronary circulation during the acquisition of the Fractional Flow Reserve (FFR) index. Demonstrating that 1D models accurately reproduce FFR estimates obtained with 3D models has implications in the approach to computationally estimate FFR. To this end, a sample of 20 patients was employed from which 29 3D geometries of arterial trees were constructed, 9 obtained from coronary computed tomography angiography (CCTA) and 20 from intra-vascular ultrasound (IVUS). For each 3D arterial model, a 1D counterpart was generated. The same outflow and inlet pressure boundary conditions were applied to both (3D and 1D) models. In the 1D setting, pressure losses at stenoses and bifurcations were accounted for through specific lumped models. Comparisons between 1D models ($ ext{FFR}_{ ext{1D}}$) and 3D models ($ ext{FFR}_{ ext{3D}}$) were performed in terms of predicted $ ext{FFR}$ value. Compared to $ ext{FFR}_{ ext{3D}}$, $ ext{FFR}_{ ext{1D}}$ resulted with a difference of 0.00$\pm$0.03 and overall predictive capability AUC, Acc, Spe, Sen, PPV and NPV of 0.97, 0.98, 0.90, 0.99, 0.82, and 0.99, with an FFR threshold of 0.8. We conclude that inexpensive $ ext{FFR}_{ ext{1D}}$ simulations can be reliably used as a surrogate of demanding $ ext{FFR}_{ ext{3D}}$ computations.

연구 동기 및 목표

• 초기 혈관확장 상태에서 환자별로 적용 가능한 FFR 추정에 있어 1D 관상동맥 혈역학 모델이 3D 시뮬레이션의 신뢰할 수 있는 대체 수단이 될 수 있는지 검증하기 위해.
• 실제 환자 해부학적 구조에서 1D 모델이 금표준 3D 시뮬레이션과 동일한 FFR 값을 정확하게 예측할 수 있는지 평가하기 위해.
• 다양한 집합 모델(예: 협착 및 분지 모델)이 1D FFR 예측 정확도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 환자별 해부학적 구조에서 정확한 FFR 추정을 위해 협착 모델링에 대해 '한 가지 크기의 파라미터 설정'이 충분한지 판단하기 위해.
• 1D FFR 시뮬레이션의 임상적 실현 가능성을 입증하기 위해, 계산 효율성과 3D 모델과의 진단 동등성을 보여주기 위해.

제안 방법

• CCTA(n=9) 및 IVUS(n=20) 영상 데이터를 기반으로 29개의 환자별 3D 관상동맥 동맥 모델을 구축하였다.
• 3D 기하 구조에서 중심선 모델을 유도하여 1D 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 1D 및 3D 모델에 동일한 입구 및 출구 압력 경계 조건을 적용하여 동일한 혈역학 조건을 확보하였다.
• 지역 압력 손실을 고려하기 위해 1D 시뮬레이션에 협착 및 분지에 대한 집합 모델을 통합하였다.
• 임상적 FFR 측정 프로토콜을 모의하기 위해 혈관확장 상태에서 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• Bland-Altman 분석, 상관관계 및 분류 성능와 같은 통계적 지표를 사용하여 1D 예측 FFR(FFR₁D)와 3D 예측 FFR(FFR₃D)를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환자별 관상동맥 기하 구조에서 1D 관상동맥 혈역학 모델이 3D 시뮬레이션과 비교해 FFR 값을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 1D 모델에서 협착 모델링에 대해 '한 가지 크기의 파라미터 설정'이 다양한 해부학적 변형에서 신뢰할 수 있는 FFR 예측을 제공하는가?
• RQ3 다양한 분기 모델링 전략(표준 대비 소산성)이 1D FFR 예측 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 임상적으로 관련성이 있는 해부학적 위치를 기준으로 볼 때, 1D FFR의 진단 성능(예: AUC, 민감도, 특이도)은 3D FFR와 유사한가?
• RQ5 계산 비용이 크게 낮은 점을 감안할 때, 1D FFR 시뮬레이션이 임상 환경에서 3D 시뮬레이션을 충분히 정확하게 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 1D 예측 FFR(FFR₁D)와 3D 예측 FFR(FFR₃D) 사이의 평균 차이는 0.00 ± 0.03이었으며, 이는 거의 완벽한 일치를 의미한다.
• 1D FFR 예측에 대한 ROC 곡선 아래 면적(AUC)은 0.97이었으며, 뛰어난 분류 능력을 보였다.
• FFR < 0.8인 혈역학적으로 유의미한 협착을 탐지하는 데 있어 분류 정확도는 0.98에 도달했으며, 민감도는 0.99, 특이도는 0.90이었다.
• 양성 예측도(PPV)는 0.82였고, 음성 예측도(NPV)는 0.99였으며, 이는 임상적 의사결정에서 강력한 신뢰성을 의미한다.
• 소산성 분기 모델을 사용할 경우 FFR₁D 정확도가 약간 향상되었으며, 특히 임상적으로 관련성이 있는 말초 위치에서 두드러졌다. 다만 표준 분기 모델 역시 우수한 성능을 보였다.
• 3D FFR 양성 케이스의 유병률이 낮은 경우(0.06)에도 결과는 안정적이었으며, 유병률을 높게 재평가한 부분집합(0.28)에서도 동일하게 유지되어 1D 모델 성능의 일관성을 확인하였다.