[논문 리뷰] On The Importance of Fundamental Computational Fluid Dynamics Towards a Robust and Reliable Model of Left Atrial Flows: Is There More Than Meets the Eye?

Ehsan Khalili, C'ecile Daversin-Catty외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 03.

Atrial Fibrillation Management and Outcomes인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 환자 특화 CFD 시뮬레이션에서 좌심방 혈역학에 대한 공간적 및 시간적 해상도의 민감도를 조사하며, OSI 및 RRT와 같은 핵심 혈역학 지표에서 중간 해상도로 인해 최대 55%의 변동성을 유발할 수 있음을 밝혀냈다. 저자들은 강력하고 신뢰할 수 있는 모델링을 위해서는 고해상도 메쉬(1000만 요소)와 세밀한 시간 이산화(1회 심장 사이클당 1만 단계)가 필요하다고 보여주며, 낮은 해상도에서는 특히 좌심방 출구부에서 신뢰할 수 없는 결과를 낳는다.

ABSTRACT

Computational fluid dynamics (CFD) studies of left atrial flows have reached a sophisticated level, e.g., revealing plausible relationships between hemodynamics and stresses with atrial fibrillation. However, little focus has been on fundamental fluid modelling of LA flows. The purpose of this study was to investigate the spatiotemporal convergence, along with the differences between high- (HR) versus normal-resolution/accuracy (NR) solution strategies, respectively. CFD simulations on 12 patient-specific left atrial geometries, obtained from computed tomography scans, were performed by using a second-order accurate and space/time centered solver. The convergence studies showed an average variability of around 30\% and 55\% for time averaged wall shear stress (WSS), oscillatory shear index (OSI), relative residence time (RRT), and endothelial cell activation potential (ECAP), even between intermediate spatial and temporal resolutions, in the left atrium (LA) and left atrial appendage (LAA), respectively. The comparison between HR and NR simulations showed good correlation in the LA for WSS, RRT, and ECAP (R^2 > 0.9), but not for OSI (R^2 = 0.63). However, there were poor correlations in the LAA especially for OSI, RRT, and ECAP (R^2 = 0.55, 0.63, and 0.61, respectively), except for WSS (R^2 = 0.81). The errors are comparable to differences previously reported with disease correlations. To robustly predict atrial hemodynamics and stresses, numerical resolutions of 10M elements and 10k time-steps per cycle seem necessary (i.e., one order of magnitude higher than normally used in both space and time). In conclusion, attention to fundamental numerical aspects is essential towards establishing a plausible, robust, and reliable model of LA flows.

연구 동기 및 목표

• 환자 특화 좌심방 유동에서 공간적 및 시간적 해상도가 혈역학 지표에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 해상도 수준에서 주요 혈역학 지표인 WSS, OSI, RRT, ECAP의 수렴 행동을 평가하기 위해.
• 문헌에서 일반적으로 사용되는 해상도 수준이 임상 연관성에 대해 신뢰할 수 있고 강건한 결과를 제공하는지 평가하기 위해.
• 정확한 심방 혈역학 및 스트레스 지표 예측을 위해 필요한 최소 공간적 및 시간적 해상도 기준을 규명하기 위해.

제안 방법

• 12명의 개인에서 64-slice CT 스캔을 이용해 환자 특화 좌심방 기하구조를 재구성하였다.
• 2차 정확도를 가진 공간/시간 중심 유한체적 해법기를 사용하여 CFD 시뮬레이션을 수행하였다.
• 다양한 공간적 및 시간적 해상도 수준에서 수렴 연구를 수행하였으며, 중간 해상도 및 고해상도(HR) 설정을 포함하였다.
• 혈역학 지표인 평균 벽면 항력 응력(WSS), 진동 응력 지수(OSI), 상대 체류 시간(RRT), 내피세포 활성화 가능성(ECAP)을 계산하고 비교하였다.
• 시간 안정성을 평가하기 위해 두 번의 심장 사이클 동안 시뮬레이션을 수행하였으며, 고해상도 시뮬레이션은 전이 흐름 행동를 보였다.
• 상관 계수(R²)를 사용하여 고해상도(HR) 전략과 일반 해상도(NR) 전략 간의 일치성을 평가하기 위해 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간적 및 시간적 해상도는 좌심방 유동 시뮬레이션에서 혈역학 지표의 수렴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 중간 해상도 시뮬레이션은 WSS, OSI, RRT, ECAP 예측에서 고해상도 해법과 얼마나 다른가?
• RQ3 환자 특화 좌심방 모델에서 강건하고 신뢰할 수 있는 혈역학 예측을 위해 필요한 최소 공간적 및 시간적 해상도는 무엇인가?
• RQ4 해상도에 의존하는 오차는 혈역학 지표가 심방세동 및 혈전 형성과 연관된 임상 연구에서 보고된 차이와 비교해 얼마나 큰가?
• RQ5 좌심방 출구부(LAA)는 주 좌심방보다 해상도에 더 민감한가?

주요 결과

• 공간-시간 수렴 연구에서 좌심방과 좌심방 출구부에서 중간 해상도와 중간 시간 해상도 사이의 WSS, OSI, RRT, ECAP 평균 변동성은 각각 30%와 55%로 나타났다.
• 고해상도 시뮬레이션은 좌심방에서 WSS, RRT, ECAP에 대해 일반 해상도 결과와 강한 상관관계(R² > 0.9)를 보였지만, OSI에 대해서는 중간 상관관계(R² = 0.63)를 보였다.
• 좌심방 출구부에서는 OSI(R² = 0.55), RRT(R² = 0.63), ECAP(R² = 0.61)에 대해 상관관계가 떨어졌으며, WSS만 중간 수준의 일치성(R² = 0.81)을 보였다.
• 낮은 해상도로 인해 발생하는 오차는 심방세동 및 혈전 형성과의 임상 연관성 연구에서 보고된 차이와 크기적으로 유사하였다.
• 이 연구는 강건하고 신뢰할 수 있는 모델링을 위해 1000만 개의 메쉬 요소와 1회 심장 사이클당 1만 개의 시간 스텝이 필요하다고 결론내렸으며, 이는 일반적으로 사용되는 해상도보다 약 10배 높은 수준이다.
• 연구 결과는 기본적인 CFD 모델링 선택 사항—특히 해상도와 해법 정확도—가 임상적 의미와 재현 가능성을 확보하기 위해 철저히 다뤄져야 한다는 점을 강조한다.