[论文解读] A multiscale model of vascular function in chronic thromboembolic pulmonary hypertension

Mitchel J. Colebank, M. Umar Qureshi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Pulmonary Hypertension Research and Treatments参考文献 76被引用 35

一句话总结

本研究开发了一种多尺度计算模型，将患者特异性的CT重建大肺动脉与基于分形的结构树模型相结合，用于模拟慢性血栓栓塞性肺动脉高压（CTEPH）的血流动力学。通过整合环形和网状病变及血管重塑，该模型预测了球囊肺动脉成形术（BPA）后的血流动力学变化，结合主肺动脉压、波反射指数和一种新型流量异质性指标，识别出最佳病变靶点，表明模拟BPA后血流动力学得到改善。

ABSTRACT

Chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH) is caused by recurrent or unresolved pulmonary thromboemboli, leading to perfusion defects and increased arterial wave reflections. CTEPH treatment aims to reduce pulmonary arterial pressure and reestablish adequate lung perfusion, yet patients with distal lesions are inoperable by standard surgical intervention. Instead, these patients undergo balloon pulmonary angioplasty (BPA), a multi-session, minimally invasive surgery that disrupts the thromboembolic material within the vessel lumen using a catheter balloon. However, there still lacks an integrative, holistic tool for identifying optimal target lesions for treatment. To address this insufficiency, we simulate CTEPH hemodynamics and BPA therapy using a multiscale fluid dynamics model. The large pulmonary arterial geometry is derived from a computed tomography (CT) image, whereas a fractal tree represents the small vessels. We model ring- and web-like lesions, common in CTEPH, and simulate normotensive conditions and four CTEPH disease scenarios; the latter includes both large artery lesions and vascular remodeling. BPA therapy is simulated by simultaneously reducing lesion severity in three locations. Our predictions mimic severe CTEPH, manifested by an increase in mean proximal pulmonary arterial pressure above 20 mmHg and prominent wave reflections. Both flow and pressure decrease in vessels distal to the lesions and increase in unobstructed vascular regions. We use the main pulmonary artery (MPA) pressure, a wave reflection index, and a measure of flow heterogeneity to select optimal target lesions for BPA. In summary, this study provides a multiscale, image-to-hemodynamics pipeline for BPA therapy planning for inoperable CTEPH patients.

研究动机与目标

• 开发一种患者特异性的多尺度血流动力学模型，用于CTEPH，整合大血管与小血管的动力学。
• 模拟血栓栓塞病变和血管重塑对肺部血流动力学的影响。
• 评估球囊肺动脉成形术（BPA）对无法手术的CTEPH患者血流动力学参数的影响。
• 结合压力、波反射和流量异质性指标，识别BPA的最佳靶病变。
• 为远端CTEPH病变建立BPA治疗规划的预测性流程。

提出的方法

• 从患者CT扫描中重建大肺动脉解剖结构。
• 采用分形结构树模型表示小肺动脉，其血流动力学由一维流体动力学方程控制。
• 在节段和亚节段分支处建模病变类型（环形和网状），以模拟CTEPH病理状态。
• 通过将一维波传播方程与频域分析相结合，计算压力、血流和血管阻抗。
• 计算波强度分析（WIA）和一种新的流量异质性定量指标，以评估血流动力学影响。
• 通过同时减少三个部位的病变严重程度来模拟BPA治疗，并评估干预后的血流动力学变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 肺动脉中的环形和网状病变在多大程度上影响平均肺动脉压和波反射等血流动力学参数？
• RQ2 小血管重塑在多大程度上导致CTEPH患者肺血管阻力增加和流量异质性增加？
• RQ3 多尺度模型能否准确预测无法手术的CTEPH患者在模拟BPA后的血流动力学变化？
• RQ4 在主肺动脉压、波反射指数和流量异质性这三个血流动力学指标中，哪一个最能识别BPA的最佳靶病变？
• RQ5 该模型对BPA术后血流动力学改善的预测与临床观察相比如何？

主要发现

• 模拟CTEPH时，若同时存在大血管病变和小血管重塑，近端肺动脉平均压升高至超过20 mmHg，符合临床CTEPH的阈值。
• 模型预测存在显著的波反射和肺血管阻力增加，与临床CTEPH的血流动力学特征一致。
• 病变远端血管的血流减少，而未阻塞区域血流增加，反映出灌注异质性。
• 一种新型流量异质性定量指标成功捕捉了肺部区域灌注缺陷。
• 波强度分析结果与CTEPH患者临床测量的波强度一致。
• 模拟BPA后，模型显示血流动力学得到改善，包括肺动脉压和波反射降低，支持病变优先排序。