[논문 리뷰] Simulation of left ventricle fluid dynamics with mitral regurgitation from magnetic resonance images with fictitious elastic structure regularization

Toni Lassila, Cristiano Malossi외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 13.

Cardiac Valve Diseases and Treatments참고 문헌 27인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 단축축 심장 MRI를 사용하여 미트랄 역류를 동반한 좌심실(LV) 순환역학을 시뮬레이션하기 위한 새로운 영상 기반 유체-구조 상호작용(FSI) 모델을 제시한다. 허위 탄성 구조를 도입하여 LV 벽 운동을 정규화하고, 세 가지의 상이한 미트랄 판막 모델—그 중 하나는 동적 역류를 포함—을 사용함으로써 심장 사이클 전반에 걸쳐 원활한 시뮬레이션을 가능하게 하였으며, 이는 역류가 점성 소산과 역류 유량을 비역류 모델 대비 9% 증가시킨다는 것을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Computer modeling can provide quantitative insight into cardiac fluid dynamics phenomena that are not evident from standard imaging tools. We propose a new approach to modeling left ventricle fluid dynamics based on an image-driven model-based description of ventricular motion. In this approach, the end-diastolic geometry and time-dependent deformation of the left ventricle cavity are obtained from cardiac magnetic resonance images and a fictitious elastic structure is used to impose the contractile behavior of the left ventricle. This allows seamless treatment of the isovolumic phases. Besides the ventricular motion, the intracavitary fluid dynamics is controlled by the mitral valve. Three different mitral valve models are included in the simulation: an idealized diode (with or without regurgitation) and a lumped parameter model accounting for the opening dynamics of the valve and including regurgitation.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 순환역학 현상, 특히 미트랄 역류를 정확히 포착할 수 있는 환자 특화 영상 기반 FSI 모델을 개발하기 위해.
• 등용적 단계를 시뮬레이션하는 데 도전 과제가 되는 점을 해결하기 위해, 명시적 부피 보존 제약 조건 없이도 LV 벽 운동을 정규화할 수 있도록 허위 탄성 구조를 사용하기 위해.
• 이dealized 다이오드, 역류가 있는 다이오드, 그리고 동적 집중 파rameter 모델을 포함한 세 가지의 미트랄 판막 모델이 LV 순환역학과 역류 유량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 미트랄 판막의 역학적 특성과 역류가 심출력률, 점성 소산, 역류 유량 등의 주요 순환역학 지표에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 표준 단축축 촬영 MRI에서 4차원 순환역학 시뮬레이션까지의 간소화된 최소 간섭 워크플로우를 가능하게 하여 임상 및 연구 적용을 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 모델 기반 접근법을 사용하여 표준 단축축 촬영 심장 MRI에서 3차원 좌심실 해부학적 기하학 및 시간에 따라 변화하는 벽 운동을 재구성한다.
• 허위 탄성 고체를 통해 공간적·시간적 변형을 적용하여 LV 내심막 이동을 정규화하고, 등용적 단계를 원활하게 통과할 수 있도록 보장한다.
• 세 가지의 미트랄 판막 모델을 도입한다: (1) 역류가 없는 이dealized 다이오드, (2) 역류가 있는 이dealized 다이오드, (3) 현실적인 개폐 역학을 반영한 동적 집중 파rameter 모델.
• 유동-구조 상호작용을 고려한 이동하는 도메인에서 나비에-스토크스 방정식을 풀며, LifeV FSI 라이브러리와 암시적 시간 적분을 사용한다.
• 해부학적 정확도를 향상시키기 위해 수작업으로 장축 단면을 분할하여 미트랄 개구부 면적과 고리 직경을 校정한다.
• 심장 사이클 전반에 걸쳐 단일 연속 실행으로 시뮬레이션을 수행하여收缩기와 확장기 사이의 경계 조건 전환을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 판막 모델에 미트랄 역류를 포함할 경우, 이dealized 또는 비역류 모델에 비해 좌심실 순환역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 판막의 임의적 모델링 없이도 LV 벽 운동 데이터만으로도 LV 순환류의 소용돌이 패턴을 얼마나 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ3 다양한 미트랄 판막 모델이 환자 특화 시뮬레이션에서 점성 소산, 심출력률, 역류 유량에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 허위 탄성 구조는 부피 보존 제약 조건 없이도 LV 벽 운동을 효과적으로 정규화하고 등용적 단계를 원활하게 통과시킬 수 있는가?
• RQ5 미트랄 판막의 역학적 특성 변화(예: 닫힘 타이밍 변화)가 좌심실 내 수축기 압력 피크와 유량 재분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 동적 집중 파rameter 미트랄 판막 모델(C 모델)은 비역류 모델(A 모델) 대비 약 9% 높은 역류 유량을 예측하였으며, 주로 판막 닫힘 속도가 느리기 때문이었다.
• 수축기 동안 비역류 모델(A)에서 점성 소산이 略로 높았지만, 확장기에는 모든 모델 간에 거의 동일한 수준이었으며, 이는 역류가 에너지 손실에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 비역류 모델(A)에 비해 역류 모델(C)에서는 수축기 최고 압력이 19% 증가하였으며, 이는 역류가 압력 생성에 미치는 순환역학적 영향을 강조한다.
• 조기 확장기 동안 이중 단계 소용돌이 고리 형성과 저조도 확장기 동안 큰 소용돌이 형성 등의 정성적 유동 패턴이 세 모델 모두에서 일관되게 재현되었으며, 이는 LV 벽 운동만으로도 주요 소용돌이 구조를 이끌 수 있음을 시사한다.
• 허위 탄성 구조 덕분에 등용적 단계를 원활하게 통과시킬 수 있었고, 경계 조건 전환 없이 심장 사이클 전체를 연속적으로 시뮬레이션할 수 있었다.
• 단순화된 모델임에도 불구하고, LV 벽 운동이 심실 내 유동 패턴의 주요 원인임을 입증하는 데 성공하였으며, E-웨이브 제트와 A-웨이브 소용돌이와 같은 주요 순환역학적 특징을 잘 포착하였다.