관상동맥 플라크 파열 예측 번역(한국어 원본)Medical imaging을 이용한 환자의 진단에서는 stenosis 등의 발병 가능성이나 혈관 내 존재하는 stenosis 등의 rupture 가능성이 가장 중요한 관심대상이다. 특히 rupture 가능성이 높은 high vulnerable plaque는 주로 stnosis의 정도나 eccentricity 여부 등 보다는 Thin-Cap Fibrous Atheroma와 같은 plaque의 type에 더 의존하는 것으로 알려져 있다. 또한 혈관에 작용하는 물리적인 외력 등의 영향이 존재하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 coronary artery에 stenosis를 가진 실제 환자 3명의 blood flow와 blood wall을 모사한 3차원 blood 및 arterial wall numerical model을 생성하였다. 특히 plaque의 type에 따른 혈관 내부의 structural behavior 차이를 분석하기 위하여 실제 rupture가 발생한 TCFA type의 plaque과 이와 stnosis rate이나 eccentricity가 유사하며 rupture가 발생하지 않은 nTCFA type의 arterial wall model을 모사하였다.
혈관내 plaque components는 wall의 stress distribution, deformation, stress buffer effect 등에 영향을 미친다. TCFA type의 plaque와 nTCFA(non-TCFA) type의 plaque의 경우 maximum stress나 magnitude of strain, 발생 위치보다는 stress gradient를 통해 structural behavior 차이가 크게 나타난다. 특히 rupture가 발생한 TCFA type의 plaque의 경우 inner wall에서 stenosis가 존재하는 방향으로 높은 stress 및 strain gradient가 나타냈으며 이는 inner wall쪽 얇은 thin-cap에 stress가 집중되며 stenosis 내부의 necrotic core와 같은 component의 하중 지지 효과가 떨어지는 것으로 설명이 가능하다. 이와 numerical results를 통해 plaque rupture 가능성은 plaque의 type의 영향을 더 받으며 mechanical 하중분포 양상에 따른 정량적인 수치로 설명이 가능하다는 것을 효과적으로 설명한다.
Plaque의 rupture나 vulnerability는 순환기 질환 연구의 주요 이슈 중 하나이며 의학뿐만 아니라 다양한 분야의 연구가 수행되고 있다. 또한 최근 들어 컴퓨팅 기술 등의 발전으로 수치해석을 이용한 hemodynamic approach가 가능하게 되었으며 이를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다.
plaque의 rupture 가능성이나 위험성에 관한 경우 대다수의 연구에서 stenosis의 위험성은 stenosis의 정도나 편심 여부 보다는 plaque의 type에 의존하는 것으로 알려져 있다(rupture 1, 2). 구체적으로 stenotic artery는 stenosis 안의 plaque components의 종류, 비율, type 등에 따라 분류되며 특히 TCFA (Thin – Cap Fibro Atheroma)type의 plaque이 inner wall rupture의 위험성이 높은 것으로 알려졌다. 이는 터지기 직전의 고름이나 물집과 같이 necrotic core 등을 thin-cap이 감싸고 있는 type와 유사하다. 따라서 많은 연구들을 통해 atherosclerotic plaque의 component비를 통해 위험성을 정량화 하거나 TCFA type의 plaque을 rupture가 발생하기 직전의 위험한 단계로 간주하고 있다(rupture 3, 4, 5).
컴퓨팅 기술을 이용한 numerical hemodynamics의 경우 주로 blood flow를 고려한 CFD(Computational Fluid Dynamics)와 Arterial wall의 motion을 함께 고려한 FSI(Fluid-Structure Interaction)가 활발히 이뤄지고 있다. CFD을 이용한 연구들의 경우 주로 stenosis에 의해 발생하는 blood speed 증가와 stenosis의 high wall shear stress를 rupture 가능성과 연관하였다(hwss 1, 2). 그러나 이러한 wall shear parameter는 stenosis의 정도와 eccentricity 여부 등 lumen의 형상에 의존하는 한계점을 가진다. 또한 혈관벽이 모사된 FSI의 경우 주로 wall에 발생하는 high mechanical stressdistribution의 경향을 통해 plaque의 위험성을 언급하였다(77,92,93; hstr 1, 2, rupture 3). 그러나 plaque rupture에 대한 의학적 연구와 공학적 연구결과들은 독립적으로 판단되기 보다는 의학적으로 경험되고 관찰된 사실과 정량적이고 물리적인 설명이 가능한 공학적 연구결과의 복합적인 이해가 필요하다.
본 연구에서는 plaque의 type에 따른 stenosis의 rupture 가능성을 정량적으로 검토하기 위하여 arterial wall과 plaque component가 고려된 hemodynamic FSI analysis를 수행하였다. 이를 위하여 우선 stenosis ratio가 비슷하나 실제로 rupture이 발생한 TCFA type의 plaque을 가진 환자와 이에 대비되는 non-TCFA(nTCFA) type의 plaque을 가진 환자의 medical imaging(CT, VH-IVUS)을 분석하였다. 이를 활용하여 TCFA type으로 plaque가 모사된 blood/blood wall model과 nTCFA type으로 plaque가 모사된 numerical model을 생성하였다. 최종적으로 numerical model을 통해 wall의 mechanical behavior를 검토하였으며 실제 rupture가 발생한 plaque과 rupture가 발생하지 않은 plaque의 mechanical characteristics 차이를 분석하였다.
본 연구에서는 coronary artery에 stenosis을 가지고 있는 실제 3명(N1, N2, N3)의 환자의 medical imaging(CT, VH-IVUS)을 활용하였다. 세 환자의 stenosis rate은 55, 51, 64%(NASCET)로 50% 이상의 높은 stenosis율을 보이나 1번 환자(N1)의 경우 TCFA type의 plaque을 가지고 있으며 실제 stenosis에서 rupture가 발생한 환자이다. 나머지 2 환자(N2, N3)의 경우 N1과 유사하거나 높은 stenosis rate이지만 nTCFA type의 plaque을 가지고 있으며 inner wall rupture가 발생하지 않은 환자이다. 환자의 medical information은 Table.1을 통해 요약하였다. CT images의 3-D recontruction은 3D-DOCTOR (Able Software Corp, ver. 4.0)를 통해 수행되었다. |
관상동맥 플라크 파열 예측 번역(영어 번역본)In patients diagnoses using medical imaging, rupture possibility which exists in blood vessels or disease occurrence possibility such as stenosis is the most important concern. Especially high vulnerable plaque with high rupture possibility is mostly known to depend on more type of plaque such as Thin-Cap Fibrous Atheroma rather than degree of existence of eccentricity. Also, it is known that there is effect of physical external force acting on blood vessels and so on. In the study, 3D blood simulating blood flow and blood wall and arterial wall numerical model of actual three patients with stenosis in coronary arteries were created. Especially in order to analyze structural behavior difference within blood vessels according to type of plague, plaques of TCFA type where actual rupture had occurred and arterial wall models of nTCFA type similar to stenosis rate or eccentricity where rupture hadn’t occurred were simulated
Plaque components within blood vessels give influence on stress distribution, deformation, stress buffer effect, and so on of walls. Plaque of TCFA type and plaque of nTCFA(non-TCFA) type have great structural behavior difference on stress gradient rather than maximum stress, magnitude of strain, or occurrence location. Especially plaque of TCFA type where rupture had occurred had high stress and strain gradient in the direction of stenosis at inner walls, which had concentrated stress at tin-cap on inner walls, which is able to explain dropping weight support effect of components such as necrotic core inside stenosis. This and numerical results effectively explain that plaque rupture possibility is influenced more by plaque type and it is able to be explained by quantitative numerical values in accordance with mechanical weight distribution pattern.
Rupture or vulnerability of plaque is one of major issues of circulatory disease study and relevant studies have proceeded in various fields as well as medical science. Also recent development in computing technology makes hemodynamic approach using numerical analysis possible and studies using this are actively proceeding.
In many studies on possibility or risk of plaque rupture, stenosis risk is known to depend on plaque type rather than stenosis degree or existence of eccentricity(rupture 1, 2). Concretely stenotic arteries are classified by type, ratio, and etc. of plaque components within stenosis and especially plaque of TCFA (Thin – Cap Fibro Atheroma)type is known to have high risk of inner wall rupture, which is similar to type wrapping thin-cap such as necrotic core including pus or blister which is about to bust. Therefore, many studies quantify risk through component ratio of atherosclerotic plaque or consider plaque of TCFA type as dangerous stage before rupture occurrence(rupture 3, 4, 5).
For numerical hemodynamics using computing technology, mostly CFD(Computational Fluid Dynamics) considering blood flow and FSI(Fluid-Structure Interaction) considering motion of arterial wall together are actively proceeding. In studies using CFD, blood speed increase caused by stenosis mostly and high wall shear stress of stenosis are related to rupture possibility(hwss 1, 2). However, such wall shear parameter has limitation that it depends on lumen shape such as stenosis degree, existence of eccentricity, and so on. FSI simulating blood vessel walls commented on plaque risk through tendency of high mechanical stress distribution occurring on mostly walls(77,92,93; hstr 1, 2, rupture 3). However, medical studies on plaque rupture and engineering study results need complex understanding of facts medically experienced and observed and engineering study results which are quantitative, able to explain physically.
In order to review stenosis rupture possibility by plaque type quantitatively, the study performed hemodynamic FSI analysis considering arterial walls and plaque components. For this, first medical imaging(CT, VH-IVUS) of patients with plaque of TCFA type where actual rupture had occurred or having similar stenosis ratios and patients with plaque of non-TCFA(nTCFA) contrasted with this were analyzed. By using these, blood/blood wall models simulating plaque of TCFA type and numerical models simulating plaque of nTCFA type were created. For the last, mechanical behaviors of walls were reviewed through numerical models and difference in mechanical characteristics between plaque where actual rupture had occurred and plaque where rupture hadn’t occurred were analyzed.
The study used medical imaging(CT, VH-IVUS) of actual three patients(N1, N2, N3) with stenosis in coronary arteries. Stenosis rates of these three patients were 55, 51, and 64%(NASCET), showing high stenosis of 50% or more but No. 1 patient had plaque of TCFA type and actual stenosis rupture. The other two patients(N2 and N3) were similar to N1 or had high stenosis rates with plaque of nTCFA type where inner wall rupture had not occurred. Patients’ medical information was summarized at Table 1. 3D reconstruction of CT images was conducted through 3D-DOCTOR (Able Software Corp, ver. 4.0). |
