[논문 리뷰] Uncertainty quantification of inflow boundary condition and proximal arterial stiffness coupled effect on pulse wave propagation in a vascular network

Antoine Brault, Laurent Dumas외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 21.

Cardiovascular Health and Disease Prevention인용 수 100

한 줄 요약

이 연구는 55개 동맥으로 구성된 단순화된 순환계 모델에서 혈액 유입 경계 조건(심장 출력 매개변수)과 공간적으로 비균일한 대동맥 경화성의 불확실성 영향을 양적으로 분석한다. 확률적 희소 프사스펙트럼 방법을 사용하여 심박수 변동성이 근위부 압력과 혈류에 강한 영향을 미치며, 대동맥 경화성의 비균일성이 특히 말초 부위에서 반사파의 응답 변동성을 증폭시킴을 규명하였다. 이와 동시에 반사파 민감도는 근위부에서는 심박수에 의해 지배되지만 말초부에서는 대동맥 경화성에 의해 제어됨을 밝혀냈다.

ABSTRACT

SUMMARY This work aims at quantifying the effect of inherent uncertainties from cardiac output on the sensitivity of a human compliant arterial network response based on stochastic simulations of a reduced-order pulse wave propagation model. A simple pulsatile output form is utilized to reproduce the most relevant cardiac features with a minimum number of parameters associated with left ventricle dynamics. Another source of critical uncertainty is the spatial heterogeneity of the aortic compliance which plays a key role in the propagation and damping of pulse waves generated at each cardiac cycle. A continuous representation of the aortic stiffness in the form of a generic random field of prescribed spatial correlation is then considered. Resorting to a stochastic sparse pseudospectral method, we investigate the spatial sensitivity of the pulse pressure and waves reflection magnitude with respect to the different model uncertainties. Results indicate that uncertainties related to the shape and magnitude of the prescribed inlet flow in the proximal aorta can lead to potent variation of both the mean value and standard deviation of blood flow velocity and pressure dynamics due to the interaction of different wave propagation and reflection features. These results have potential physiological and pathological implications. They will provide some guidance in clinical data acquisition and future coupling of arterial pulse wave propagation reduced-order model with more complex beating heart models.

연구 동기 및 목표

• 인간 동맥망에서 불확실한 심장 출력 매개변수(심박수, 평균 혈류량, 피크 혈류량)가 파동 전파 역학에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 공간적으로 비균일한 대동맥 경화성(랜덤 필드로 모델링)이 파동 전파 및 반사에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 유입 조건과 혈관 경화성의 병합된 불확실성이 허혈압과 반사파 크기에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 임상 적용 및 데이터 확보 전략에 대한 단순화된 모델의 신뢰성에 대한 통찰을 제공하는 것.
• 향후 더 복잡한 심장 모델과의 결합을 위해 주요 변동성 원인을 규명하는 데 도움을 주는 것.

제안 방법

• 55개 동맥으로 구성된 시스템 혈관 네트워크에서 파동 전파를 시뮬레이션하기 위해 단순화된 1차원 유체-구조 상호작용 모델을 사용한다.
• 심박수, 평균 심장 출력, 피크 혈류량에 대해 균일 분포를 가진 랜덤 변수를 사용하여 유입 경계 조건을 확률적으로 모델링한다.
• 대동맥 경화성은 공간 상관관계가 정의된 일반적인 정적 랜덤 필드로 표현하여 생리학적 비균일성을 반영한다.
• 파동 전압과 반사파 크기의 통계적 모멘트(평균, 표준편차)를 효율적으로 계산하기 위해 확률적 희소 프사스펙트럼 방법을 적용한다.
• 혈관 트리 전역에서 출력 변동성에 기여하는 주요 매개변수 기여도를 규명하기 위해 민감도 분석을 수행한다.
• 입력 불확실성과 출력 간의 통계적 상관관계를 분석하여 매개변수 상호작용과 반응 국소화를 이해한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 심박수, 평균 심장 출력, 피크 혈류량의 불확실성이 동맥망 내 허혈압과 반사파에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 공간적으로 비균일한 대동맥 경화성(랜덤 필드로 모델링)이 파동 전파 및 반사 역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 대동맥 경화성 불확실성을 포함할 경우, 혈액 유출 매개변수에 대한 순환역학적 반응 민감도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 혈관 트리의 어디에서 반사파 크기와 허혈압 변동성이 입력 불확실성에 가장 민감하게 나타나는가?
• RQ5 파동 포획 현상은 가지가 갈라지는 네트워크에서 불확실성 효과의 공간 분포를 어떻게 조절하는가?

주요 결과

• 고려된 범위 내에서 심박수 변동성은 근위부 대동맥과 상지에서 허혈압과 반사파 크기에 강력한 영향을 미친다.
• 피크 혈류량의 변동성은 말초 부위와 하부 대동맥에서 미약한 영향을 미치며, 말초 부위의 반사파에 미치는 영향은 최소한이다.
• 지속적인 랜덤 필드로 모델링된 대동맥 경화성 불확실성은 시스템 반응의 전체적인 변동성을 증가시키며, 네트워크 전역에서 매개변수 민감도의 재배치를 유도한다.
• 말초 대동맥과 말초 부위에서는 반사파 크기 민감도가 심박수 지배에서 중간 파장의 변동성에 의해 제어되는 것으로 이동한다.
• 장파장의 경화성 변동성은 반사의 공간 기원에서 멀리 떨어진 곳에서 주로 영향을 미치며, 단파장 변동성은 국소적 영향을 미치며 더 말초 세그먼트에서 감소한다.
• 상지에서 통계적 반응에 두드러진 좌우 비대칭성이 관찰되었으며, 이는 왼쪽 팔로 향하는 경로가 4개의 분지로 구성된 데 반해 오른쪽 팔은 3개의 분지로 구성되어 있기 때문이다. 이 네트워크 구조 특성은 이전 연구에서 보고된 바가 없다.