[論文レビュー] 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-Catty+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2023

Atrial Fibrillation Management and Outcomes被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、患者特異的CFDシミュレーションにおける空間的および時間的分解能が左房血行動態に与える感受性を調査し、OSI や RRT などの主要な血行動態インデックスにおいて、中程度の分解能では最大55%のばらつきが生じることを明らかにした。著者らは、信頼性の高いモデリングには高分解能メッシュ（1000万要素）と細かい時間離散化（1サイクルあたり1万ステップ）が必要であることを示した。低分解能では、特に左房耳に著しい不確実性が生じるため、信頼性の低い結果が得られる。

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.

研究の動機と目的

• 患者特異的左房血流における空間的および時間的分解能が血行動態インデックスに与える影響を評価すること。
• WSS、OSI、RRT、およびECAPといった主要な血行動態指標の収束特性を、さまざまな分解能レベルで評価すること。
• 文献で一般的に用いられている分解能レベルが、臨床的相関と整合した信頼性の高い結果をもたらすかどうかを検証すること。
• 正確な心房血行動態およびストレスインデックス予測に必要な最小分解能のしきい値を特定すること。

提案手法

• 12名の被験者について、64スライスCTスキャンから患者特異的左房幾何形状を再構築した。
• 2次精度の空間・時間中心型有限体積法ソルバを用いてCFDシミュレーションを実施した。
• 中間分解能および高分解能（HR）設定を含む、複数の空間的および時間的分解能レベルで収束研究を実施した。
• 時間平均壁面せん断応力（WSS）、オシレートするせん断インデックス（OSI）、相対的滞留時間（RRT）、内皮細胞活性化ポテンシャル（ECAP）といった血行動態インデックスを算出し、比較した。
• 時間的安定性を評価するため、2サイクル分のシミュレーションを実行した。HRシミュレーションでは遷移的流れの挙動が観察された。
• 相関係数（R²）を用いて、高分解能（HR）と通常分解能（NR）の戦略を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的および時間的分解能は、左房血流シミュレーションにおける血行動態インデックスの収束にどのように影響するか？
• RQ2 中間分解能シミュレーションは、高分解能解と比較して、WSS、OSI、RRT、およびECAPの予測においてどの程度異なるか？
• RQ3 患者特異的左房モデルにおいて、信頼性の高い血行動態予測を達成するための最小空間的および時間的分解能は何か？
• RQ4 分解能依存性の誤差は、心房細動や血栓形成との臨床的関連性で報告された差異と比較してどの程度の大きさか？
• RQ5 左房耳（LAA）は、主な左房と比較して、分解能に対してより感受性を示すか？

主な発見

• 空間的・時間的収束研究から、左房および左房耳において、中間空間的および時間的分解能と比較して、WSS、OSI、RRT、およびECAPの平均ばらつきがそれぞれ30%および55%に達した。
• 高分解能シミュレーションでは、左房におけるWSS、RRT、およびECAPについて、通常分解能結果と強い相関（R² > 0.9）を示したが、OSIについては中程度の相関（R² = 0.63）にとどまった。
• 左房耳では、OSI（R² = 0.55）、RRT（R² = 0.63）、およびECAP（R² = 0.61）について相関が弱く、WSSのみが中程度の一致（R² = 0.81）を示した。
• 低分解能に起因する誤差は、血行動態インデックスと心房細動・血栓形成の関連性を示す臨床研究で報告された差異と同程度の大きさであった。
• 本研究は、信頼性の高いモデリングには1000万メッシュ要素および1サイクルあたり1万ステップの分解能が必要であると結論づけた。これは、通常用いられる解像度よりも1桁高い解像度を要する。
• 本研究の結果は、基本的なCFDモデリングの選択、特に分解能とソルバの精度が、臨床的意義および血行動態予測の再現可能性を保証するために厳密に検討されなければならないことを強調している。