Development of on-site coronary artery fluid analysis algorithm to predict plaque progression and failure

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K08488
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 齋藤 成達 京都大学, 医学研究科, 特定講師 (20467484)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 匡徳 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20448046)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 冠血流 / 数値流体力学 / プラーク進展 / 壁面せん断応力 / 冠動脈CT

Outline of Annual Research Achievements

本研究の最終目標は”数値流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)を用いて冠動脈流体解析を行い、解析結果に流線、壁面せん断応力を加えることによりハイリスク病変の検出、将来のプラーク進展を予測可能とすることである。本年度は冠血流予備量比（FFR，Fractional Flow Reserve）の精度上昇を目的に末梢境界条件の推定方法を変更し検討を行った。
以前の研究ではMurrayの法則を用いて，それぞれの分枝の出口血管径の3乗比に基づいて血流を分配し，出口流量境界条件を決定していた。通常は血管の途中に狭窄がある場合，血管の流動抵抗が増加するため，狭窄を有する血管に流れる血流量は低下するはずである。しかし，この方法では，出口末端部に狭窄がない限り，狭窄がある血管に対しても通常と同じ流量があるような条件を与えてしまうという問題があった。本年度は末梢血管抵抗を電気回路抵抗としてモデル化することで，この問題の解決に取り組み、血流解析を行った。

詳細は【現在までの進捗状況】に記載するがより計測値に近いFFRを推定できた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究の最終目標は”数値流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)を用いて冠動脈流体解析を行い、解析結果に流線、壁面せん断応力を加えることによりハイリスク病変の検出、将来のプラーク進展を予測可能とすることである。本年度はFFR推定精度向上のため末梢境界条件の変更を行った。具体的には前述のように0次元モデルとCFDの反復計算によりFFRを推定する方法を採用した。
冠動脈疾患の疑いがあり，カテーテルによるFFR測定を行った23名31症例を対象としCT画像から構築した冠動脈の各血管末端部から毛細血管部までの血流を流体力学の電気回路アナロジーによりオームの法則に基づく0次元モデルで表現した。0次元モデルにおける抵抗をOlfsenのモデルにより求めた。0次元モデルとCFDを組み合わせて反復し，冠動脈血流を計算した。血管壁を剛体とした。安静時の冠動脈流入量を入口血管直径から推定し，最大充血時の血流量は安静時の3倍になるとして冠動脈流入量を決定した。血管最大拡張を表現するため，流れ抵抗Riを一律70%減らした。冠動脈入口部の圧力が100 mmHgとなるようにCFDにより得られる圧力を補正した後，FFRを求めた。
FFR推定値はFFR測定値に対して正に相関したが，FFR測定値よりも大きくなる傾向にあった。ROC曲線ではAUCは0.793であった。以前の方法で同じ症例群に対して推定を行った結果，AUCは0.741であった。すなわち，末梢血管の0次元化モデルを用いることで，狭窄部の存在に応じた血流量が対象血管に流れ，より精度が高いFFR推定ができることがわかった。すなわち本方法により推定値のある程度の向上を得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

現時点でFFR推定値の精度が不十分である。2019年度は流出口の境界条件の変更を行ったが入口部の境界条件の変更も必要であると考えており、2020年度は入口部の境界条件の検討を行う予定である。これにより十分な精度でFFR推定が可能になれば、せん断応力とハイリスク病変の関係性の解明に進む予定である。具体的には算出された壁面せん断応力からハイリスク病変が検出できないかを臨床研究により検証を行う。壁面せん断応力からハイリスク病変が検出できれば同じFFR値であってもより心血管有害事象を生じやすい病変の検出が可能となり患者のリスク層別化が可能となることを目標とする。

Causes of Carryover

本年度はせん断応力とプラーク進展の解析に進むことができず出口条件の調整を行った。既存のデータを用いた再解析のため予定よりも研究費用の使用が少なく研究が推敲できた。次年度は入口部の境界条件の検討を行い、さらにせん断応力とハイリスク病変の関係性の解明に進む予定である。このため研究ミーテイング等も頻回に行う必要がある。

Research Products

• [Journal Article] On-site evaluation of CT-based fractional flow reserve using simple boundary conditions for computational fluid dynamics (2020)
  • Author(s): Yoshikawa, Yusuke Nakamoto, Masahiko Nakamura, Masanori Hoshi, Takeharu Yamamoto, Erika Imai, Shunsuke Kawase, Yoshiaki Okubo, Munenori Shiomi, Hiroki Kondo, Takeshi Matsuo, Hitoshi Kimura, Takeshi Saito, Naritatsu
  • Journal Title: The International Journal of Cardiovascular Imaging Volume: 36 Pages: 337-346
  • DOI: 10.1007/s10554-019-01709-3
  • Peer Reviewed