[論文レビュー] Comparison of 1D and 3D Models for the Estimation of Fractional Flow Reserve

Pablo Blanco, Carlos A. Bulant+5 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2018

Coronary Interventions and Diagnostics参考文献 22被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、3次元（3D）シミュレーションに比べて計算コストが著しく低い1次元（1D）冠動脈血行動的モデルが、分数血流収縮（FFR）を推定するうえで、時間のかかる3Dシミュレーションの精度の高い代替手段であることを検証した。CCTAおよびIVUSから得た患者特異的な3D冠動脈解剖を用いて、1Dモデルが3D FFR予測とほぼ完璧な一致を示し（平均差：0.00 ± 0.03）、優れた診断性能（AUC：0.97、正確度：0.98）を示した。これにより、1Dモデルが、計算コストを大幅に削減しながら、臨床的FFR推定において3Dシミュレーションを信頼性高く置き換えられることを示した。

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.

研究の動機と目的

• 高血流状態下における患者特異的FFR推定において、1D冠動脈血行動的モデルが3Dシミュレーションの信頼できる代替手段であるかを検証すること。
• 1Dモデルが、臨床的ゴールドスタンダードとされる3Dシミュレーションと同等のFFR値を、実際の患者解剖に応じて正確に予測できるかを評価すること。
• 異なる集中パrameterモデル（例：狭窄および分岐部モデル）が、1D FFR予測の正確さに与える影響を評価すること。
• 多様な患者特異的解剖に応じて、狭窄モデリングに「1つのパラメータ設定で十分」であるかを検証すること。
• 1D FFRシミュレーションの臨床的妥当性を示すために、その計算効率と3Dモデルと同等の診断的同等性を提示すること。

提案手法

• CCTA（n=9）およびIVUS（n=20）画像データから、29例の患者特異的3D冠動脈動脈モデルを構築した。
• 3D解剖から中心線モデルを抽出し、1Dシミュレーションを可能にする1D中心線モデルを生成した。
• 1Dおよび3Dモデルに同一の入口および出口圧力境界条件を適用し、同等の血行動的状態を確保した。
• 局所的圧力損失を考慮するために、1Dシミュレーションに狭窄および分岐部の集中パrameterモデルを組み込んだ。
• 臨床的FFR測定プロトコルを模倣するため、高血流状態下で数値的シミュレーションを実施した。
• Bland-Altman解析、相関、分類性能といった統計的指標を用いて、1D予測FFR（FFR₁D）と3D予測FFR（FFR₃D）を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 患者特異的冠動脈解剖において、1D冠動脈血行動的モデルは3Dシミュレーションと比較して、FFR値を正確に予測できるか？
• RQ2 1Dモデルにおける狭窄モデリングに「1つのパラメータ設定」を適用した場合、多様な解剖的変異にわたって信頼できるFFR予測が得られるか？
• RQ3 異なる分岐部モデリング戦略（標準的対損失的）が、1D FFR予測の正確さに与える影響は何か？
• RQ4 臨床的関連のある解剖的部位を用いた場合、1D FFRの診断的性能（例：AUC、感度、特異度）は3D FFRと同等か？
• RQ5 計算コストが著しく低いにもかかわらず、1D FFRシミュレーションが臨床現場で3Dシミュレーションに十分な正確さで置き換え可能か？

主な発見

• 1D予測FFR（FFR₁D）と3D予測FFR（FFR₃D）の平均差は0.00 ± 0.03であり、ほぼ完璧な一致を示した。
• 1D FFR予測の受信者リポーチ曲線下積（AUC）は0.97であり、優れた識別能力を示した。
• 血行動的有意性のある狭窄（FFR < 0.8）を検出する分類正確度は0.98に達し、感度は0.99、特異度は0.90であった。
• 陽性予測値（PPV）は0.82、陰性予測値（NPV）は0.99であり、臨床的意思決定における高い信頼性を示した。
• 損失的分岐部モデルの使用は、特に臨床的関連のある遠位部位で、FFR₁Dの正確さをわずかに向上させたが、標準的分岐部モデルでも良好な性能を示した。
• 陽性FFR₃D症例の割合が低め（0.06）であったにもかかわらず、再評価において割合が高くなったサブセット（0.28）でも結果は安定しており、1Dモデル性能の一貫性が確認された。