有限要素法シミュレーションによるEVAR術後の長期的影響に関する流体力学的解明

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K15586
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 濱口 隆史 金沢大学, 附属病院, 診療放射線技師 (20749329)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 流体解析 / 腹部大動脈瘤 / ステントグラフト / 有限要素法 / CT / MRI / カテーテル

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，腹部大動脈瘤ステントグラフト治療後患者において，有限要素法シミュレーションを用いた血液の流体力学的情報を，従来のCT検査に付加することである．このシミュレーションには，3Dプリンターで作製した血管モデルと流体ポンプを用いたファントム実験，および，健常ボランティアに対し，心電図同期併用三次元シネ位相コントラスト法を利用したMRI検査を行うことで，解析値の検証とパラメータの補正を行い，高い精度を確保することが重要である．
健常ボランティア10名についてMRI検査を実施し，それらの平均から正常な腹部大動脈への流速波形を定義することが可能となった．この正常例における流速波形を再現可能な流体ポンプを使用し，腹部大動脈瘤モデル内の圧・流速値を測定する検証実験を行うことで，有限要素法シミュレーションの解析精度との比較検証を可能とする．この腹部大動脈瘤モデルを作製する必要があるため，本研究代表者の所属施設に新たな3Dプリンターを導入し，ゴムのように柔らかな材質で血管壁モデルの中空構造を試作することができた．大動脈瘤形状の選定にあたっては，本研究代表者の所属施設で過去に腹部大動脈瘤に対するステントグラフト治療が実施された症例を参照し，現在までに400例を超えるステントグラフト治療症例を登録することが可能となった．これら症例におけるCT画像から瘤の位置・径・形状（紡錘状，嚢状）等についての三次元的なデータ分析を行い，シミュレーション用データ形式（STL形式）への変換処理を行った．
今後，3Dプリンターで作製した血管モデルと流体ポンプを用いたファントム実験を当初の計画通り進めると同時に，CTアンギオグラフィー画像データを使用した流体解析を順次実行予定である．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

4D-Flow MRI検査が可能なMRI装置が2018年4月に研究代表者の所属施設へと新規導入され，健常ボランティア10名における心電図同期併用三次元シネ位相コントラスト法を利用した撮像実験は予定通り終え，正常な腹部大動脈内への流入波形を定義すること可能となった．しかし，4D-Flow MRIを用いた血管内の流速・流線画像を解析するアプリケーションの導入が2019年3月に遅延したため，ボランティア実験およびファントム実験における血管内の流体解析を実施できない状況であった．その間，過去に腹部大動脈瘤ステントグラフト治療が行われた症例におけるCTアンギオグラフィー画像検査のデータ収集が進み，現在までに当初の目標を大幅に上回る475例を登録することができた．これらの症例の中から，動脈瘤の形状および最大短径の異なる9症例を選定し，2020年3月に新規導入した3Dプリンターを用いて，ゴムのように柔らかな材質で大動脈瘤モデルの中空構造を試作することができた．この大動脈瘤モデルに流体ポンプを接続し，正常な腹部大動脈への流速波形を入力するファントム実験の実施が2020年度に遅延したため，数値シミュレーションのパラメータ最適化まで至っていない．
以上より，本研究課題の進捗状況はやや遅れていると考える．

Strategy for Future Research Activity

大動脈瘤モデルと流体ポンプを用いたファントム実験を当初の計画通りに実施する．大動脈瘤モデル作成時における3Dプリンターの設定パラメータを最適化し，MRIおよびカテーテル実験に耐えうるファントム構造を実現する必要がある．流体ファントム実験を実施しなければ数値シミュレーションの解析精度検証が行えないため，今後早い段階で実行する必要がある．
数値シミュレーションの最適な解析パラメータを決定した上で，過去のステントグラフト治療症例について解析を順次行う予定である．しかし，当初の目標数を大きく上回るCTアンギオグラフィー画像データ数を登録できているため，有限要素法シミュレーションの解析時間に大幅な延長が予想される．今後，解析マシンの増設や協力スタッフの増員を考慮した解析時間の短縮を図ることや，統計学的なバランスを鑑みた大動脈瘤形状・サイズの解析結果を確保できるように解析順序の検討を行う予定である．

Causes of Carryover

2018年度に購入を予定していた流体ポンプを他施設から借り入れることが可能となったが，その費用の一部は大動脈瘤モデル作製用の3Dプリンターを購入するために2019年度に使用した．しかし，ゴムのように柔らかい材質を使用すると同時に，流体ポンプに接続するファントム実験に耐えうる構造を実現するため，今後も作製条件を最適化し試作を重ねる必要がある．そのために3Dプリンターの材料を次年度に購入するため次年度使用額が生じた．