患者形状の脳動脈瘤における心拍数の血行動態への影響：模型実験
Effect of heart rate on hemodynamics in patient-specific intracranial aneurysms: An in vitro study
脳動脈瘤の血流解析で心拍数（流入波形）を1条件に固定してよいか。撮像時や計算条件の心拍数の違いは結果の比較にどこまで響くか。
心拍数と流量を同時に上げた模型実験では、中大脳動脈瘤で瘤内の WSS（流入部の WSS で正規化）が収縮期最大で1.12から1.55に上がり、最大になる時相も拡張期へずれました。椎骨動脈瘤では同じ条件で差が8%程度でした。時間平均した正規化 WSS の中央値は1.00〜1.15で、差は小さくなります。時間平均の正規化指標で比べるなら1条件でも大きくは崩れませんが、時相ごとの値や乱れの指標を比べるなら心拍数をそろえるか、複数の心拍数で計算して幅を示す必要があります。
当社の視点
脳動脈瘤の CFD で「流入波形は何拍で与えるか」「撮像時の心拍数が違う症例を並べてよいか」と聞かれたときの判断材料になります。同じ流入波形を与えても、瘤内に流入ジェットが入り込む形状では心拍数の影響が大きく、流出路に逃げやすい形状では小さいという結果で、影響の大きさは形状で決まります。時間平均して流入部で正規化した WSS では差が縮むため、症例間の比較には正規化した時間平均の指標が向いています。一方で乱流運動エネルギーや渦の強さは両方の瘤で心拍数とともに増えており、乱れや時相ごとの値を議論するなら心拍数を条件として明記する必要があります。模型は剛体壁、作動流体はニュートン流体で、患者の壁の動きや粘性の非ニュートン性は入っていません。
扱う範囲
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01
模型
右中大脳動脈瘤（MRA から作成、瘤径 6.72 mm）と左椎骨動脈瘤（3D-DSA から作成、瘤径 4.86 mm）の2個です。PDMS に埋め込んだブロック型の模型で、壁は剛体として扱っています。
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02
流入条件
60、100、137 bpm の3条件で、安静・活動時・運動時を想定しています。心拍数だけでなく流量も同時に上げており、2つの模型には同じ流入波形を与えています。出口には抵抗やコンプライアンスを付けず、分流は形状と配管の抵抗に任せています。
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03
計測
4台の高速カメラによる体積粒子追跡（Shake-the-Box）で3次元の速度場を求め、格子化・POD による雑音除去・外れ値除去のあと位相平均しています。同じ計測を別の日に2回行っています。
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04
評価した指標
渦の強さ（swirling strength）、乱流運動エネルギー、WSS、OSI、時間平均の流速と WSS です。WSS は各条件の流入部の平均 WSS で正規化して比べています。
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形状による違いの解釈
中大脳動脈瘤は流入ジェットが瘤内に向かうため心拍数の増加を増幅し、椎骨動脈瘤は抵抗の低い流出路に運動量が逃げるため変化が小さい、と著者は考察しています。
この研究が報告した値
| 項目 | 値 | 補足 |
|---|---|---|
| 流入条件（中大脳動脈瘤） | 平均流量 97.6 / 130.7 / 158.0 mL/min | 60 / 100 / 137 bpm の順。平均 Re 173 / 232 / 280、Womersley 数 2.32 / 3.00 / 3.51 |
| 瘤内の正規化 WSS（中大脳動脈瘤） | 収縮期最大 1.12 / 1.37 / 1.55 | 拡張中期は 1.09 / 1.83 / 1.80。100 bpm 以上で最大の時相が拡張期へずれる |
| 瘤内の正規化 WSS（椎骨動脈瘤） | 収縮期最大 0.99 / 0.99 / 1.08 | 拡張中期は 0.83 / 0.86 / 1.00。収縮期最大での差は約8% |
| 時間平均 WSS の中央値（正規化） | 中大脳動脈瘤 1.00 / 1.10 / 1.15 | 椎骨動脈瘤は3条件とも約1.12 |
| 瘤内の OSI 平均 | 中大脳動脈瘤 0.122 / 0.104 / 0.120 | 心拍数に対して単調でない。椎骨動脈瘤は 0.076 / 0.096 / 0.100 |
| 作動流体 | 密度 1142 kg/m³、動粘度 3.47 × 10⁻⁶ m²/s | 水・グリセリン・尿素の混合液（ニュートン流体） |
いずれもこの論文の本文と表1〜2から転記しました。WSS は流入部の平均 WSS で割った無次元の比です。
実務チェック
- 流入波形を与えるときは、想定した心拍数と流量を計算条件として報告に書きます。
- 撮像時の心拍数が大きく違う症例を比べるときは、時間平均して正規化した指標を主に使います。
- 時相ごとの WSS や乱れの指標を論じるなら、2つ以上の心拍数で計算して結果の幅を示します。
- 瘤内へ流入ジェットが向かう形状かどうかを確認し、心拍数の影響を受けやすい症例として扱います。
この研究で分からないこと
- 心拍数と流量を同時に変えているため、拍動の周波数そのものの影響と流量の影響を分けられません。著者もこの点を限界として挙げています。
- 模型は2個だけです。どの形状の特徴が心拍数の影響を増幅するかは仮説の段階です。
- 壁は剛体、作動流体はニュートン流体で、壁の動きや血液の非ニュートン性による差は扱っていません。
- 椎骨動脈瘤に与えた流入波形は中大脳動脈瘤と同じもので、椎骨動脈の実際の波形ではありません。
- 137 bpm の計測は他の2条件と別の日に行っています。校正誤差の差は小さいと著者は書いています。
書誌情報
| 原題 | Effect of heart rate on hemodynamics in patient-specific intracranial aneurysms: An in vitro study |
|---|---|
| 著者 | El-Khader BAT, Shirdade N, Korte J, Behme D, Berg P, Church EW, Brindise MC. |
| 掲載誌 | PLoS One（2026） |
| DOI | 10.1371/journal.pone.0359941 |
| PMID | 42955918 |
| 本文の入手 | オープンアクセス（CC BY）。PMC13718917 の全文を読んで記載しています。 |