[논문 리뷰] Effect of Foam Insertion in Aneurysm Sac on Flow Structures in Parent Lumen: Relating Vortex Structures with Disturbed Shear

Pawan Kumar Pandey, Malay K. Das|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 27.

Intracranial Aneurysms: Treatment and Complications참고 문헌 77인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 뇌동맥류의 형태 기억 고무 폼 괴사 치료가 부모 루멘 내 소용돌이 구조에 미치는 영향을 분석하며, 유동 역학적 변화와 혈류역학적 장애를 연결하기 위해 소용돌이 핵선(VCL)의 위상 구조를 사용한다. 폼 삽입은 부모 루멘의 동맥류 기저부(SBPL)에서 VCL 수와 기울기를 증가시키며, 이는 진동하는 벽 전단 응력 지수(OSI) 상승과 시간 평균 벽 전단 응력(TAWSS) 감소와 상관관계가 있다. 이는 기울인 VCL이 혈류역학적 장애와 내피 dysfuncion을 유도할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Numerous studies suggest that disturbed shear, causing endothelium dysfunction, can be related to neighboring vortex structures. With this motivation, this study presents a methodology to characterize the vortex structures. Precisely, we use mapping and characterization of vortex structures' changes to relate it with the hemodynamic indicators of disturbed shear. Topological features of vortex core lines (VCLs) are used to quantify the changes in vortex structures. We use the Sujudi-Haimes algorithm to extract the VCLs from the flow simulation results. The idea of relating vortex structures with disturbed shear is demonstrated for cerebral arteries with aneurysms virtually treated by inserting foam in the sac. To get physiologically realistic flow fields, we simulate blood flow in two patient-specific geometries before and after foam insertion, with realistic velocity waveform imposed at the inlet, using the Carreau-Yashuda model to mimic the shear-thinning behavior. With homogenous porous medium assumption, flow through the foam is modeled using the Forcheimmer-Brinkmann extended Darcy model. Results show that foam insertion increases the number of VCLs in the parent lumen. The average length of VCL increases by 168.9% and 55.6% in both geometries. For both geometries under consideration, results demonstrate that the region with increased disturbed shear lies in the same arterial segment exhibiting an increase in the number of oblique VCLs. Based on the findings, we conjecture that an increase in oblique VCLs is related to increased disturbed shear at the neighboring portion of the arterial wall.

연구 동기 및 목표

• 형태 기억 고무 폼(SMP) 폭발이 뇌동맥류의 부모 루멘 내 소용돌이 구조에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 소용돌이 위상 변화와 TAWSS, OSI, TASWSS와 같은 혈류역학적 장애 지표 간의 연관성을 규명하기 위해.
• 소용돌이 기반 위상 특성 분석 방법을 개발하고 적용하여 폼 삽입 후 소용돌이 구조의 진화를 정량화하기 위해.
• 기울인 VCL 수 증가가 혈류역학적 장애 영역과 상관관계가 있는지 평가하여 내피 이상 위험을 예측하기 위해.

제안 방법

• 혈액의 비뉴턴성 거칠기 특성을 반영하기 위해 Carreau-Yashuda 모델을 사용한 실제 환자 기반 뇌동맥류 기하 구조에서 유속 변화를 시뮬레이션하였다.
• 균일한 다공성 매질 가정 하에 Forchheimer-Brinkman 확장 Darcy 모델을 사용해 폭발에 의한 유동 저항을 모델링하였다.
• 소용돌이 식별을 위해 Sujudi-Haimes 알고리즘을 사용해 시뮬레이션 데이터에서 소용돌이 핵선(VCL)을 추출하였다.
• 가짜 VCL를 제거하고 위상 정확도를 향상시키기 위해 평균 회전성 기반 후처리 필터를 적용하였다.
• UPL, SBPL, DPL 영역에서 VCL 위상 특성(길이, 부모 루멘 중심선에 대한 방향(정상 대비 기울임), 공간 분포)을 정량화하였다.
• 위상적 VCL 변화와 혈류역학 지표(ΔTAWSS, ΔOSI, ΔTASWSS) 간 상관관계를 분석하여 혈류역학적 장애 영역을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SMP 폼 삽입은 뇌동맥류의 부모 루멘 내 소용돌이 구조의 위상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 VCL의 수와 방향은 혈류역학적 벽 전단 응력 지표 변화와 어떤 관계가 있는가?
• RQ3 기울인 VCL 수 증가가 혈류역학적 장애 영역(예: TAWSS 감소, OSI 증가)과 상관관계가 있는가?
• RQ4 다양한 혈류역학적 반응을 보이는 환자 기반 기하 구조 간 VCL 특성은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 기하 구조-1에서는 폼 삽입으로 인해 부모 루멘 내 VCL 수가 168.9% 증가했고, 기하 구조-2에서는 55.6% 증가하였다.
• 기하 구조-1에서 폼 삽입 후 평균 VCL 길이가 168.9% 증가했고, 기하 구조-2에서는 55.6% 증가하였다.
• VCL 수 증가가 가장 두드러진 곳은 동맥류 기저부 부모 루멘(SBPL)이었으며, 이는 ΔTAWSS 감소와 ΔOSI 증가의 최대 지역과 일치하였다.
• OSI 상승과 TAWSS 감소로 인한 혈류역학적 장애 영역은 기울인 VCL 수 증가 영역과 공간적으로 겹쳤다.
• ΔTASWSS는 오직 SBPL에서만 비영이었으며, 이는 소용돌이 구조 변화와 연결된 애자이멀 순환에 기인한 보조 벽 전단 응력 증가를 시사한다.
• 기하 구조-1에서 기울인 VCL 증가율이 기하 구조-2보다 유의미하게 높았으며, 이는 하류 혈관 구조 형태의 영향을 받을 수 있음을 시사한다.