[論文レビュー] Simulation of left ventricle fluid dynamics with mitral regurgitation from magnetic resonance images with fictitious elastic structure regularization

Toni Lassila, Cristiano Malossi+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Cardiac Valve Diseases and Treatments参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、短縮軸切面心筋MRIを用いて僧帽弁逆流を伴う左室（LV）血流動態をシミュレートする、画像駆動型流体構造挙動相互作用（FSI）モデルを提案する。虚構の弾性構造を用いてLV壁運動を正則化し、3種類の異なる僧帽弁モデル（うち1つは動的逆流を含む）を採用することで、心拍周期全体にわたる滑らかなシミュレーションを実現し、逆流が粘性散逸と逆流体積を非逆流モデルと比較して9%増加させることを明らかにした。

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.

研究の動機と目的

• 僧帽弁逆流を含む複雑な血流動態現象を正確に捉える、患者特異的で画像駆動型の左室（LV）血流動態用FSIモデルの開発。
• 体積保存制約を明示的に設けずに、虚構の弾性構造を用いてLV壁運動を正則化することで、等体積期のシミュレーションに課される課題を克服。
• 理想化されたダイオードモデル、逆流を含むダイオードモデル、および動的等価パラメータモデルの3種類の僧帽弁モデルがLV血流動態と逆流流に与える影響の評価。
• 僧毛弁の動的挙動と逆流が、射出分率、粘性散逸、逆流体積といった主要な血流動態指標に与える影響の評価。
• 標準的な短縮軸チネMRIから4D血流動態シミュレーションへの、最小限の干渉で行えるスムーズなワークフローの実現を、臨床的・研究的応用を想定して実現。

提案手法

• モデルベースの手法を用いて、標準的な短縮軸チネ心筋MRIから3次元左室幾何形状と時間依存壁運動を再構築。
• 空間的・時間的依存性を持つLV内膜変位を、薄い虚構の弾性固体を介して印加することで、運動を正則化し、等体積期を滑らかに通過させる。
• 3種類の僧毛弁モデルを導入：(1) 逆流なしの理想化ダイオードモデル、(2) 逆流ありの理想化ダイオードモデル、(3) 実際の開閉動態を再現する動的等価パラメータモデル。
• 移動する領域における流体構造挙動相互作用を解き、LifeV FSIライブラリを用い、陰解法による時間積分を実施。
• 解剖学的正確性を向上させるために、手動による長軸セグメンテーションを用いて僧毛弁開口部面積と動脈直径をキャリブレーション。
• 収縮期と拡張期の境界条件の切り替えを回避するため、心拍周期全体にわたる一連の連続実行でシミュレーションを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的弁モデルに僧毛弁逆流を組み込むことで、理想化モデルや非逆流モデルと比較して、左室血流動態にどのような影響を与えるか？
• RQ2 僧毛弁葉の明示的モデリングなしに、左室壁運動データのみで、左室の渦状流れパターンをどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 異なる僧毛弁モデルが、患者特異的シミュレーションにおける粘性散逸、射出分率、逆流体積に与える影響は何か？
• RQ4 虚構の弾性構造を用いることで、体積保存制約なしに左室壁運動を効果的に正則化し、等体積期を滑らかに通過できるか？
• RQ5 僧毛弁の動的挙動（例：閉鎖タイミング）の変化が、収縮期圧力ピークと左室内の血流再分配に与える影響は何か？

主な発見

• 動的等価パラメータ僧毛弁モデル（モデルC）は、非逆流モデル（モデルA）と比較して逆流体積が9%高いと予測された。主な要因は、弁の閉鎖が遅れていることによる。
• 収縮期における粘性散逸は非逆流モデル（A）でわずかに高かったが、拡張期にはすべてのモデルでほぼ同一であった。これは、エネルギー損失の主な要因が逆流であることを示している。
• 非逆流モデル（A）と比較して、逆流モデル（C）では、ピーク収縮期圧力が19%上昇した。これは、逆流が圧力生成に与える血流動態的影響を強調している。
• 早期拡張期における2段階の渦リング形成や、遅い拡張期における大規模な渦の形成といった、定性的な流れのパターンが、3つの弁モデルすべてで一貫して再現された。これは、左室壁運動そのものが主要な渦構造を駆動している可能性を示唆している。
• 虚構の弾性構造のおかげで、境界条件の切り替えなしに心拍周期全体を連続してシミュレート可能であり、等体積期を滑らかに通過させた。
• 簡略化にもかかわらず、左室壁運動が、E波ジェットやA波渦といった主要な血流動態的特徴を捉えており、左室壁運動が心室内流れのパターンを主に駆動していることを示している。