혈류역학 모델링을 사용하여 투석 환자의 치료 성공률 향상

수술 결과 개선

혈류역학 모델링은 AVF(동정맥루) 수술 결과에 대한 환자의 이해를 높일 수 있습니다. 이 시술은 일반적으로 팔의 정맥을 동맥에 연결하는 과정을 포함합니다. 이는 정맥을 더 크고 두껍게 만들어 혈류를 증가시키고 정맥의 견고성을 높여 신장 질환 환자에게 필수적인 치료법인 투석과 관련된
정기적인 주사 치료를 더 수월하게 견딜 수 있도록 하기 위함입니다. 스트래스클라이드 대학교 생의학 공학과에서 박사 과정 중인 George Hyde-Linaker와 같은 대학 Biofluid Mechanics(BioFLM) 연구 그룹의 수석 강사이자 리더인 Asimina(Melina) Kazakidi 박사가 퀸엘리자베스 대학 병원(Queen Elizabeth University Hospital)의 의사들과 협력하여 수행한 연구가 최근 Journal of Medical Engineering & Physics(MEP, Hyde-Linaker G., Hall Barrientos P., Stoumpos S., Kingsmore DB and Kazakidi A. (2022))에 게재되었습니다. 동정맥루의 외과적 생성과 관련된 환자별 컴퓨터 혈류역학 Med. Eng. Phys. 105, 103814, doi: 10.1016/j. medengphy.2022.103814) 이 연구는 시뮬레이션을 사용하여 AVF 수술 후 혈관 변화를 예측하는 방법을 보여줍니다.

Simcenter™ STAR-CCM+ ™ 소프트웨어를 사용하여 수술 전후의 혈류를 모델링하면 임상의가 혈류역학적 환경을 이해하고 AVF를 위한 최적의 부위를 파악할 수 있습니다. STAR-CCM+는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

스트래스클라이드 대학교(University of Strathclyde)는 영향력이 큰 기업가적 연구를 수행하는 것으로 알려진 기술 대학입니다. 2012년과 2019년, 파트너와 함께 영국 대학 최초로 글로벌 문제에 대한 기술 및 사회적으로 진보적인 솔루션을 제공한 성과를 기리는 Sunday Times University of the Year Award를 수상했습니다. 또한 의료 기술 분야의 핵심 연구 주제와 지식 혁신을 위한 HTC(의료 기술 클러스터)를 갖추고 있습니다. 의생명공학과는 공학과 생명과학 간의 혁신적인 다분야 연구 프로그램으로 인정받고 있습니다. 스트래스클라이드는 생의학 공학 연구를 위한 최첨단 공간인 울프슨(Wolfson)관을 개조하기 위해 1,600만 파운드를 투자했습니다.

MEP 저널에 최근 게재된 연구는 스트래스클라이드의 국제 전략적 파트너 연구 장학금, Transformative Healthcare Technologies 계획(EP/W004860/1)을 통한 영국 연구 및 혁신(UKRI) 공학 및 물리 과학 연구 위원회(EPSRC) 상,
그리고 Marie Skłodowska-Curie 보조금 계약 번호 749185에 따른 EU H2020 연구 및 혁신 프로그램의 지원을 받았습니다. 본 연구는 계속해서 환자 인구통계 데이터 뱅크를 구축하고 CFD(전산 유체 역학) 연구를 완료하여 환자의 양호한 임상 결과를 예측하는 생물학적 및 혈류역학적 매개변수를 결정합니다.

누공 생성 전후의 OSI(진동 전단 지수) 등고선 플롯(이미지 제공:
Hyde-Linakeret al. Med Eng Phys 105 (2022), 103814)

시뮬레이션을 사용하여 금기 사항 해결

전통적인 조영제는 의료 영상에서 신체 내 구조와 체액 간의 구별을 강화하는 데 사용되는 물질입니다. 이러한 약물의 문제점은 말기 신장 질환 환자에게는 사용할 수 없다는 것입니다. AVF 수술이 환자의 결과를 개선할 수 있도록 연구자나 의사는 AVF에 대한 신체의 반응을 정확하게 예측할 수 있는 올바른 도구가 필요합니다. 이러한 문제로 시뮬레이션이 전체 프로세스에 중요합니다.

AVF 형성 수술에는 정맥과 동맥을 연결하는 문합을 만드는 것이 포함됩니다. 이를 통해 정맥으로 혈액 흐름을 빠른 속도로 방향을 바꿔 외부 혈액 투석을 위해 정맥에서 혈액을 추출할 수 있습니다.

이 절차에서 일반적으로 소홀히 여겨져 온 한 가지 측면은 연결 지점 근처에서 혈액이 어떻게 흐르는지 이해하는 것입니다. AVF 수술 후 환자가 겪을 수 있는 한 가지 문제는 동맥 도혈 증후군(arterial steal syndrome)으로, AVF로 인해 손까지 충분한 혈액 공급이 이루어지지 않을 때 발생합니다. 스트래스클라이드의 BioFLM 연구 그룹의 연구원들은 문합을 형성한 팔을 제외한 신체 나머지 부분에서 혈류가 감소하는 것이 또 다른 문제라고 지적합니다.

BioFLM 연구진은 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 시뮬레이션을 통해 의사가 문합 부위의 손과 신체의 나머지 부분에 미치는 부정적인 영향을 예방할 수 있음을 밝혔습니다. 또한 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 혈관의 단단한 경계에서 움직이는 혈액으로 인해 가해지는 단위 면적당 힘인 시간 평균 WSS(혈관벽 전단 응력)를 예측할 수 있었습니다. MEP에 발표된 연구는 문합에서의 다른 흐름 패턴을 추가로 보여줍니다. CFD로 모델링된 WSS 수준은 AVF가 상당한 성숙 단계에 도달했음을 나타내며, 의사가 향후 AVF 수술의 성공률과 수술 후 환자 관리를 개선하는 데 도움을 주는 것을 목표로 합니다.

스트래스클라이드 BioFLM의 연구는 AVF의 장기적인 지속성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. AVF는 투석을 위한 가장 이상적인 접근 방법으로 여겨지지만, 30%~70% 정도의 높은 실패율을 보입니다. 실패의 두 가지 주요 원인은 신내막 증식과 부적절한 외부 리모델링입니다. 신내막 증식은 정맥 또는 동맥의 내막에서 평활근 세포와 세포 외 기질의 성장을 포함합니다. AVF에 근접한 팔 혈관에 대한 동맥 리모델링의 영향은 심혈관 질환 및 동맥 도혈 증후군과 같은 다른 합병증에 대한 소인을 증가시켜 환자에게 해로울 수 있습니다. BioFLM 그룹의 이 연구는 궁극적으로 AVF가 실행 가능한 상태를 유지하여 혈액 투석을 지속하도록 보장하는 데 도움이 될 것입니다.

일반적으로 AVF 전후 사례 사이에서 시뮬레이션된 혈관에서 분석된 (5번째)
심장 주기 동안 유도된 혈관 출구 시뮬레이션의 Remax 값에 대한 상자 수염 차트
(이미지 제공: Hyde-Linaker et al.) Med Eng Phys 105 (2022), 103814)

CFD와 함께 FeMRA 데이터세트 사용

스트래스클라이드 BioFLM 연구 그룹의 Hyde-Linaker 박사와 Kazakidi 박사는 환자 집단에서 동맥 혈관계를 3D로 재구성했습니다. MEP에 발표된 연구에는 협력 의사들이 이전에 얻은 FeMRA(Ferumoxytol-enhanced Magnetic Resonance Angiography: 페루목시톨 강화 자기공명혈관조영술) 데이터를 사용하여 수술 전후에 동정맥루에 대한 전체 근위 혈관계의 선구적인 재구성이 포함됩니다. FeMRA를 통해 환자별 고해상도 데이터를 얻을 수 있습니다. Strathclyde 연구팀은 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 확립된 유한 체적 구현을 통해 여러 FeMRA 스캔에서 혈류역학에 대한 충실도 높은 시뮬레이션을 생성했습니다.

스트래스클라이드 생의학공학과 박사 과정 학생인 George Hyde-Linaker는 "Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 스케일 분해(scale-resolving) 하이브리드 모델을 시뮬레이션했는데, 매우 유용했습니다."라고 말합니다. "유속에 따라 RANS 또는 LES를 선택합니다."

SRH(스케일 분해 하이브리드) 난류 모델은 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) LES(대형 와류 시뮬레이션) 모델로, 사용자가 RANS 모델에 비해 계산 비용을 적게 들이면서 불안정한 대규모 난류 구조를 계산할 수 있습니다. SRH 모델은 문제에 대한 메시와 시간 단계를 보정하기 때문에 더 수월합니다. 이를 통해 사용자는 지정된 메시와 시간 단계를 최대한 활용할 수 있습니다. 따라서 SRH 모델은 합리적인 계산 비용과 처리 시간으로 충분한 수준의 정확도를 제공합니다.

(a-c) (a) T1(최대 수축기), (b) T2(중간 감속기), (c) T3(최대 이완기)에서
방사두부동정맥루에서의 속도 유선 및 흐름 방향(화살표). (d) 정규화된 TAWSS, (e) OSI. (이미지 제공: Hyde-Linaker et al. Med Eng Phys 105 (2022), 103814, doi: 10.1016/j.medengphy.2022.103814)

또한 CFD와 FeMRA를 결합하면 AVF 성숙과 심장에 미치는 영향에 대한 보다 자세한 해석이 가능할 수 있습니다. Hyde-Linaker는 "CFD 시뮬레이션 결과는 문합 생성 후 좌측 요골 동맥에서 얻은 위상차 FeMRA 데이터를 기반으로 검증되었습니다."라고 말합니다. 요골(공급) 동맥에서 CFD와 위상차 FeMRA 사이의 평균 백분율 차이가
2.52%로 나타났습니다.

Hyde-Linaker는 "출구에 AVF 후 시뮬레이션을 알리는 데 사용된 FeMRA 스캐닝에서 유속을 얻을 수 있었습니다."라고 말합니다. "요골 동맥에서 관찰한 유속이 상당히 일치한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 환자의 혈류 상태를 재현하는 지표가 될 수 있습니다."

Simcenter Star-CCM+에서 생성된 환자별 대동맥의 다면체 메시 생성

시뮬레이션을 의학에 통합

스트래스클라이드의 생체유체 역학 MSc/MRes 프로그램 책임자이기도 한 Kazakidi의 목표는 Simcenter STAR-CCM+ 등의 솔루션에서 사용하는 시뮬레이션을 통해 의사가 유용한 혈류역학 정보를 제공하고 환자 결과를 예측할 수 있도록 지원하는 것입니다. 이를 통해 귀중한 인사이트를 제공하여 임상의가 진단 및 중재 계획을 더 원활하게 파악할 수 있습니다.

BioFLM 팀은 Simcenter STAR-CCM+ 소프트웨어 등에 숙련된 사용자의 경우 초기 이미지 분할에서 CFD 후처리에 이르는 워크플로를 완료하는 데 약 6시간이 걸린다는 것을 알게 되었습니다. 그들은 FeMRA 외에 CFD를 사용하는 이점은 생체 내에서 측정하기 어려운 혈류역학적 지표를 프로파일링할 수 있다는 것이라고 설명합니다. "인실리코 모델링은 임상 연구를 혁신하여 외과의에게 미래의 맞춤형 중재에 대한 정보를 제공할 수 있습니다."라고 Kazakidi는 말합니다. "우리는 AVF 수술 전후 환자 사례에 대한 강력한 혈류역학 CFD 연구에 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 임상의가 상세한 혈류역학 패턴을 기반으로 향후 정보에 입각하여 결정내리도록 지원합니다."

Hyde-Linaker와 Kazakidi는 향후 연구에서 다양한 AVF 문합 구성과 결과를 보이는
환자 집단에서 서로 다른 혈류역학적 환경을
살펴볼 예정입니다. 여기에는 완두증 및 방사두증 누공이 포함됩니다. 또한 FSI(Flow-Structure Interaction: 흐름-구조 상호작용) 시뮬레이션을 조사에 통합하여 동맥벽 움직임을 설명합니다. 스트래스클라이드 연구팀은 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 AVF 혈류역학을 연구하는 것이 AVF 기능 장애 및 부전을 이해하는 데 도움이 될 수 있는 유용한 도구라고 평가합니다.

"임상시험의 측면을 환자별 모델 또는 가상 데이터 세트 및 모집단으로 대체하면
외과 처치에 대한 증거를 축적할 수 있습니다. 이는 승인 및 인증에 참조될 수 있습니다. 이 작업을 통해 비용은 물론이고 환자 수와 리드 타임을 줄이고자 합니다.”라고 Kazakidi는 말합니다.

FeMRA 다중 스택 이미지 및 후속 CFD 해석을 기반으로 환자별 지오메트리의 분할, 재구성, 지오메트리 통합 및 볼륨 추출에 사용되는 프레임워크(이미지 제공: Hyde-Linaker et al. Med Eng Phys 105 (2022), 103814)