顕微鏡MRIによる計測と異なる動脈瘤モデルにおける流れのシミュレーション

Measurement with microscopic MRI and simulation of flow in different aneurysm models.

• Daniel Edelhoff
• Lars Walczak
• Frauke Frank
• Marvin Heil
• Inge Schmitz
• Frank Weichert
• Dieter Suter

抄録

目的:

動脈瘤の影響と発生は、通常の血管と病理学的拡張部との間の液体の交換にかなりの程度に依存している。このプロセスをよりよく理解することは、予測能力の向上につながる。本研究の目的は、顕微鏡的磁気共鳴測定と数値シミュレーションを組み合わせて、複雑さの異なる動脈瘤モデルにおける液体交換を調査することである。これらの方法の精度と適用性を評価するために、変更されていない血管内腔と動脈瘤ファントムの間の流体交換プロセスを高空間分解能を用いて定量的に解析した。

PURPOSE: The impact and the development of aneurysms depend to a significant degree on the exchange of liquid between the regular vessel and the pathological extension. A better understanding of this process will lead to improved prediction capabilities. The aim of the current study was to investigate fluid-exchange in aneurysm models of different complexities by combining microscopic magnetic resonance measurements with numerical simulations. In order to evaluate the accuracy and applicability of these methods, the fluid-exchange process between the unaltered vessel lumen and the aneurysm phantoms was analyzed quantitatively using high spatial resolution.

方法:

磁気共鳴フローイメージングを用いて、3Dプリンターで作成した2つの異なるモデルの流体交換を可視化した。1つの動脈瘤モデルは組織学的所見に基づいて作成した。異なるモデル内の流れの分布は、飛行時間の磁気共鳴イメージングを用いてミクロなスケールで測定されました。実験全体のシミュレーションは、高速グラフィックス処理装置を用いた数値シミュレーションを用いて行った。得られたシミュレーション結果は、流れとスピン格子緩和を考慮して、磁気共鳴イメージングによる測定結果と定性的・定量的に比較した。

METHODS: Magnetic resonance flow imaging was used to visualize fluid-exchange in two different models produced with a 3D printer. One model of an aneurysm was based on histological findings. The flow distribution in the different models was measured on a microscopic scale using time of flight magnetic resonance imaging. The whole experiment was simulated using fast graphics processing unit-based numerical simulations. The obtained simulation results were compared qualitatively and quantitatively with the magnetic resonance imaging measurements, taking into account flow and spin-lattice relaxation.

結果:

提示された両手法の結果は、使用された動脈瘤モデルと選択された流れの分布に対して良好に比較された。流体交換解析の結果は、測定とシミュレーションに関して同等の特性を示した。同様の対称性の挙動が観察された。これらの結果に基づいて、流体交換量が計算された。モデルの形状にもよりますが、1秒間に7%から45%の液体が交換されました。

RESULTS: The results of both presented methods compared well for the used aneurysm models and the chosen flow distributions. The results from the fluid-exchange analysis showed comparable characteristics concerning measurement and simulation. Similar symmetry behavior was observed. Based on these results, the amount of fluid-exchange was calculated. Depending on the geometry of the models, 7% to 45% of the liquid was exchanged per second.

結論:

数値シミュレーションの結果は、実験で決定された速度場とよく一致した。また、血管と動脈瘤の間の流体交換速度はよく予測された。したがって、シミュレーションで得られた結果は実験で検証することができた。観測された偏差は、測定値のノイズとシミュレーションの解像度の制限によって生じる可能性がある。結果として得られた差は、ステントを用いた血管内の血流分布や脈動血流の信頼性の高い予測を可能にするのに十分小さいものである。

CONCLUSIONS: The result of the numerical simulations coincides well with the experimentally determined velocity field. The rate of fluid-exchange between vessel and aneurysm was well-predicted. Hence, the results obtained by simulation could be validated by the experiment. The observed deviations can be caused by the noise in the measurement and by the limited resolution of the simulation. The resulting differences are small enough to allow reliable predictions of the flow distribution in vessels with stents and for pulsed blood flow.