chss japan講演...
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株式会社Cardio Flow Design
宮崎 翔平
CHSS Japan講演
血流解析が切り開く新たな診断法4D Flow MRIの基礎から応用まで
血流解析を取り巻く現状
近年の血流解析の論文数
Pubmed Medline
0
50
100
150
200
250
300
CFD
MRI
血流解析を取り巻く現状
様々な血流解析手法の台頭
4D Flow MRI VFMCFD
CTから解析 MRIで解析 超音波から解析
(Computational Fluid Dynamics)
血流解析を取り巻く現状
ほぼすべての疾患で血流解析が可能
4D Flow MRI VFMCFD
心内、弁
冠動脈
大血管
血流解析を取り巻く現状
商業化される血流解析
4D Flow MRI VFMCFD
FFRCT
Heart Flowカルフォルニア
心臓CFD
CardioFlowDesign
東京
iTFlow
CardioFlowDesign
東京
Flova
R’Tech浜松 VFM
日立東京
血流解析はますます身近に
本日のテーマ
どう使い分けるか？
CFDと4D Flow MRIの使い方
どう使うか？
•血流解析を行う意義
•血流解析技術の基礎
• MRIとCFDの違い
•血流解析の導入方法
本日の内容
血流を解析でわかる指標
エネルギー損失
Wall Shear Stress (WSS)
心臓のエネルギー効率を測る
血管内皮の変性を予測する
心機能の予後予測に役立つ指標
心臓の仕事効率：エネルギー損失
エコカーのエンジンの設計
人間のエンジン?? 心臓の設計
左室拍出仕事量
酸素運搬に使われるエネルギー
病的な血流がもたらすエネルギーの損失
「ロス」をなくし、心負荷を軽減する
治療方針!
NISSAN MOTOR COMPANY ウェブサイトよりhttp://www.nissan-global.com/JP/TECHNOLOGY/OVERVIEW/hr12ddr.html
Norwood手術後のエネルギー損失
エネルギー損失は大幅に減少
大動脈再再建
Norwood 手術
Glenn 手術
CT撮像 口径差によるエネルギー損失
Norwood術後
全圧
CFD解析
Glenn 手術+
大動脈弓の再々建
CFD解析
全圧
エネルギー損失
17.0 mW
エネルギー損失
7.3 mW
エネルギー損失の求め方
圧と流量が必要 （CFD、カテーテル計測などで計測可能）
全圧の差と流量から算出
100 mmHg
70 mmHg
エネルギー損失 = 全圧損失×流量
しかし、4D Flow MRIでは圧の情報がわからない
血流の持っているエネルギー
＝血流の運動エネルギー＋圧＝全圧
エネルギー損失を計測
数学的に工夫してみた
特許 板谷慶一 小野稔 血流可視化診断装置 WO 2013077013 A1
板谷慶一
（京都府立医科大学心臓血管外科)
血流解析の教科書
Cardio Flow Design
創設者
4D Flow MRIによるエネルギー損失計算
粘性散逸による算出
圧情報がなくてもOK (4D Flow MRI, VFMなどでも算出可能に)
速度ベクトルのばらつきから算出
損失大 損失小
𝟏
𝟐𝝁
𝝏𝒖𝒊𝝏𝒙𝒋
+𝝏𝒖𝒋
𝝏𝒙𝒊
𝟐
Wall Shear Stress(WSS)を計測
WSS = 𝜇𝑑𝑣
𝑑𝑦
wall
距離 y血流速 v
𝑑𝑣
𝑑𝑦
EWK Young and DJ Beebe. ChemSocRev. 2009
過大なWSS→血管壁の硬化→心負荷の増大
Wall Shear Stress(WSS)を計測
Max WSS
= 65.0 Pa
Max WSS
= 340 Pa
大動脈再再建
Norwood術後
•血流解析を行う意義
•血流解析技術の基礎
• MRIとCFDの違い
•血流解析の導入方法
本日の内容
血流解析の手段
2つの手法
4D Flow MRI CFD
血流を見る
4D Flow MRI
は位相コントラスト法を応用
位相差と速度が比例
静止する水分子と移動する水分子を判別する撮影法
上方向の血流
下方向の血流
4D Flow MRI
静止する水分子
移動する水分子
4D Flow MRI
縦方向成分
横方向成分
血流速度ベクトル
画像の一点に注目
位相コントラスト (phase-contrast) MRI
強度画像 位相画像：縦方向
位相画像：面方向 位相画像：横方向
4D Flow MRIとCFD
位相コントラスト (phase-contrast) MRI
流速ベクトルによる血流可視化
0.5 m/s
0 m/s
位相画像：面方向
強度画像
位相画像：横方向
位相画像：縦方向
4D Flow MRI
4D Flow MRI
X 方向
Y 方向
Z 方向
強度画像 位相画像
流れの可視化
3次元で再構成
3次元の流れを経時的に見る=>４D Flow
CFD
ナビエ ストークス
ナビエ・ストークス方程式
流体にかかる色々な力
流体の動き
CFDはコンピュータシミュレーション
慣性、圧、粘性…
17～18世紀の物理学者
CFD
Nature review cardiology 2013
1970年頃から工業分野で利用・超音速での翌周り流れの解析
1990年前後から心臓血管領域で利用・Fontan循環の可視化
実験が難しい流れ
In-vivo 通常は見えない流れ
コンピュータの性能向上 (10万倍)
新たな計算手法の実用化
CFD
0
2
0 0.5Time
(sec)
PV
AV
L/min
流量
40
90
140
0 0.2 0.4
Time (sec)
mmHg
圧 (末梢からの反射波)
カテーテル計測
超音波計測
ナビエ・ストークス方程式
CFD 解析の流れ
•血流解析を行う意義
•血流解析技術の基礎
• MRIとCFDの違い
•血流解析の導入方法
本日の内容
CFDと4D Flow MRIの違い
4D Flow MRI
実測
CFD
シミュレーション
CFD シミュレーションの正しさ
・境界条件・物性値パタメータ・乱流計算モデル・ジオメトリ・計算時間刻み幅・メッシュサイズ、クオリティ・差分スキーム・人工粘性・圧緩和スキーム・スパース行列演算方法・収束残差・境界層壁関数
・せん断応力粘性関係 … など
適切な設定で計算しないと正解は得られない
例えば乱流計算の設定
様々な仮定の設定
CFDと4D Flow MRI Validation
4D Flow MRI CFD
Miyazaki S, Itatani K et al. Heart and Vesssels, 2017
MRI
m/s
CFD m
/s
速度ベクトルの相関（二次流れ)
上行大動脈
R=0.499
大動脈弓
R=0.849大動脈弓以遠で高い精度で実測と一致
正しい部分、正しくない部分が存在
シミュレーションは正しいのか？
CFDと4D Flow MRIの違い
わかることは
血流の向きと大きさ ＝血流のベクトル
4D Flow MRI CFD
（CFDは加えて圧もわかる）
CFDと4D Flow MRIの違い
Wall Shear Stress エネルギー損失
算出できる指標も同じ
血流の分配 よどみ領域
CFD4D Flow CFD4D Flow
CFD4D Flow CFD4D Flow
CFDと4D Flow MRIの違い
1～3 mm0.03 ～
0.3mm
4D Flow MRICFD
CFDは細かい流れを見るのが得意
CFDと4D Flow MRIの違い
左腎動脈 左腎動脈
4D Flow MRICFD
CFDは細かい流れを見るのが得意
CFDと4D Flow MRIの違い
１拍動を８コマ～２０コマ１拍動を２万コマ
CFDは細かい流れを見るのが得意
4D Flow MRICFD
CFD
CFDに必要なデータ
血管の形状 計算の条件 (圧や流量)
どんなデータでも計算できる！
ところで
0
1
2
3
0 0.2 0.4
CFD
平均的な寸法から作成
個人差を除外した一般化した血流の解析
CFD
CT形状を修正
手術の効果を予測する仮想手術
CFDと4D Flow MRIの違い
血管壁は固定 拍動する心臓や血管
4D Flow MRIは心内、弁周囲の解析が得意
4D Flow MRICFD
(CFDはほぼ不可能)
CFDと4D Flow MRIの適応
4D Flow MRICFD
血管の動き
血管のサイズ 直径約5mm以上が良い制限なし
あまり動かないもの 制限なし
WSS
エネルギー損失
仮想手術
CFDと4D Flow MRIの適応
4D Flow MRICFD
大動脈弓
Fontan
肺動脈
心房・心室
弁
大動脈弓
Fontan
肺動脈
心房・心室
弁
WSSの精度低い
動くものは解析できない
•血流解析を行う意義
•血流解析技術の基礎
• MRIとCFDの違い
•血流解析の導入方法
本日の内容
受託解析
CT, MRI画像データをお送りいただければ、お望みの解析を行いレポートとしてお返しします
レポート
データ
CFD, 4D Flow MRIの解析を受託します。
通常価格： CFD: 1件 5 万円(小児）
4D Flow MRI: 1件 6 万円
解析に必要なデータ
撮影時間：15～30分
検査枠の圧迫
Magnitude U(RL) V(AP) W(FH)
4D Flow MRICFD
通常診療で撮影しているものでOK
造影CT
4D Flow MRIデータ
最新のMRI装置
特別な撮影が必要
CFD 解析に必要なデータ
CFDの受託解析は下記のデータをお送りください。
・CT-シンスライス (スライス厚1mm以下)
-造影（動脈相)
-体表面積
-AS/AA（大動脈の場合)
・条件設定のための情報
4D Flow MRI 解析に必要なデータ
・4D Flow MRI
・Multi-slice SSFP
Magnitu
de
U(RL) V(AP) W(FH)
・心血管の拍動追跡に利用
撮影条件
4D Flow MRI解析には下記データをお送りください。
撮影時にはMRIメーカーからサポートが受けられます。
4D Flow MRI
MRIメーカーからのサポート
・装置の対応の確認
・撮影プロトコルの設定
・試し撮影
弊社からのサポート
・解析方針のご相談 どの方法で解析すれば良い？
どういったデータが出せる？
どういう条件で取れば良い？
放射線科を通じて担当営業に
「Cardio Flow Design社の血流解析用に4D Flow 撮影を行いたい」旨をお伝え下さい。
サポート体制図
Cardio Flow Design
Siemens Philips GE
MRIメーカー
MRI撮影サポート
情報共有
解析方法の相談
解析スタート時のサポート体制
撮影データを共有
・撮影方法の調整
・データの質を担保
解析方法の詳細はHPからもご参照いただけます。講演内容を後日HP上にアップロードする予定です。
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