JP2015073858A - Aneurysm growth determination method, and device used for the same - Google Patents

Aneurysm growth determination method, and device used for the same Download PDF

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茂 宮地
Shigeru Miyaji
茂 宮地
彰祐 安藤
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彰祐 安藤
寛二 福島
Kanji Fukushima
寛二 福島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for making it possible to accurately determine whether or not an aneurysm grows.SOLUTION: An aneurysm growth determination method is for determining whether or not an aneurysm grows, on the basis of inflow energy E of blood flowing into the aneurysm. In the method, the inflow energy E is calculated on the basis of formula of E=(1/2)×ρ×Qin×|v'in|+Pin×Qin or E=Pin×Qin, where ρ is a density of the blood flowing into the aneurysm, |v'in| is a flow velocity of the blood flowing into the aneurysm in a direction orthogonal to a boundary plane between the aneurysm and a vessel connecting with the aneurysm, Qin is a volume flow rate of the blood flowing into the aneurysm, and Pin is a pressure of the blood flowing into the aneurysm.

Description

本発明は、動脈瘤が成長するか否かを判定するための方法及びその方法に使用される装置に関する。   The present invention relates to a method for determining whether an aneurysm grows and a device used in the method.

従来から知られている動脈瘤の有無を判定する方法の一つは、動脈瘤の発生が予想される部分を経た血管経路の脈波信号と動脈瘤の発生が予想される部分とは異なる部分を経た血管経路の脈波信号とを検出し、それらの脈波信号の周波数特性を比較することによって動脈瘤の有無を判定する(例えば、特許文献1を参照。)。この他にも、動脈瘤の有無を判定する方法が幾つか提案されている(例えば、特許文献2及び3を参照。)。   One of the conventionally known methods for determining the presence or absence of an aneurysm is a part that is different from the part where the aneurysm is expected and the pulse wave signal of the vascular route through the part where the aneurysm is expected to occur The presence or absence of an aneurysm is determined by detecting the pulse wave signal of the blood vessel path that has passed through and comparing the frequency characteristics of those pulse wave signals (see, for example, Patent Document 1). In addition, several methods for determining the presence or absence of an aneurysm have been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3).

特開2013−94264号公報JP 2013-94264 A 国際公開第WO2009/050304号International Publication No. WO2009 / 050304 国際公開第WO00/053081号International Publication No. WO00 / 053081

上記従来の技術は動脈瘤の有無を判定する方法である。しかしながら、動脈瘤が成長がするか否かを判定する方法は殆ど知られていない。更に、動脈瘤の成長には種々の因子が関連しているので、動脈瘤が成長するか否かを正確に判定することは困難である。そのため、動脈瘤が成長するか否かを精度よく判定することができる方法が求められている。   The above conventional technique is a method for determining the presence or absence of an aneurysm. However, few methods are known for determining whether an aneurysm grows. Furthermore, since various factors are associated with aneurysm growth, it is difficult to accurately determine whether or not the aneurysm grows. Therefore, there is a need for a method that can accurately determine whether or not an aneurysm grows.

本発明は動脈瘤が成長するか否かを精度よく判定することができる方法を提供する。
より具体的に述べると、本発明の動脈瘤成長判定方法は、
第1ステップとして、前記動脈瘤に流入する血液の流速及び圧力に基づいて同動脈瘤に流入する同血液の流入エネルギーEを求め、
第2ステップとして、前記流入エネルギーEに基づいて前記動脈瘤が成長するか否かを判定する、
ステップを含む方法である。
The present invention provides a method that can accurately determine whether an aneurysm grows.
More specifically, the aneurysm growth determination method of the present invention is:
As a first step, the inflow energy E of the blood flowing into the aneurysm is determined based on the flow velocity and pressure of the blood flowing into the aneurysm,
As a second step, it is determined whether or not the aneurysm grows based on the inflow energy E.
A method including steps.

この場合、前記流入エネルギーEを求めるステップは、
前記流入エネルギーEを、「前記動脈瘤に流入する血液の流速に基づいて得られる体積流量Qinと、前記動脈瘤に流入する血液の圧力Pinと、の積Pin・Qin」である圧力エネルギーに基づいて求めるステップであってもよい。
In this case, the step of obtaining the inflow energy E is as follows:
The inflow energy E is based on the pressure energy which is “the product Pin · Qin of the volume flow rate Qin obtained based on the flow velocity of blood flowing into the aneurysm and the pressure Pin of blood flowing into the aneurysm”. It may be a step to obtain.

更に、前記流入エネルギーEは、例えば、
E=(1/2)・ρ・Qin・|v’in|+Pin・Qin
なる式に基づいて求めることができる。
ここで、
ρは前記動脈瘤に流入する血液の密度、
|v’in|は前記動脈瘤に接続している血管と同動脈瘤との境界平面に直交する方向における前記動脈瘤に流入する血液の流速(の大きさ)、
Qinは前記動脈瘤に流入する血液の体積流量、
Pinは前記動脈瘤に流入する血液の圧力、
である。
Further, the inflow energy E is, for example,
E = (1/2) · ρ · Qin · | v'in | 2 + Pin · Qin
Based on the following formula.
here,
ρ is the density of blood flowing into the aneurysm,
| V′in | is the flow velocity of blood flowing into the aneurysm in the direction perpendicular to the boundary plane between the blood vessel connected to the aneurysm and the aneurysm,
Qin is the volume flow of blood flowing into the aneurysm,
Pin is the pressure of blood flowing into the aneurysm,
It is.

即ち、流入エネルギーEは、前記境界平面を通って動脈瘤に流入する血液の「運動エネルギー((1/2)・ρ・Qin・|v’in|)と圧力エネルギー(Pin・Qin)との和」として求めることができる。但し、流入エネルギーEは、前記圧力エネルギー(Pin・Qin)のみを含むエネルギーであってもよい。 That is, the inflow energy E is expressed as “kinetic energy ((1/2) · ρ · Qin · | v'in | 2 ) and pressure energy (Pin · Qin) of blood flowing into the aneurysm through the boundary plane. Can be calculated as However, the inflow energy E may be energy including only the pressure energy (Pin · Qin).

発明者は、複数の患者のそれぞれについての前記流入エネルギーEと動脈瘤の表面積増加量との関係を調査した。その結果を図9及び図10に示す。図9は、前記流入エネルギーEとして前述した血液の「圧力エネルギーと運動エネルギーとの和」を採用したグラフである。図10は、前記流入エネルギーEとして前述した血液の「圧力エネルギー」を採用したグラフである。表面積増加量とは、各患者の一年あたりの動脈瘤の表面積の増加分である。   The inventor investigated the relationship between the inflow energy E and the aneurysm surface area increase for each of a plurality of patients. The results are shown in FIGS. FIG. 9 is a graph that employs the aforementioned “sum of pressure energy and kinetic energy” of blood as the inflow energy E. FIG. 10 is a graph in which the aforementioned “pressure energy” of blood is adopted as the inflow energy E. The surface area increase is an increase in the surface area of the aneurysm per year for each patient.

図9及び図10から、流入エネルギーEが大きいほど動脈瘤の表面積増加量が大きいことが理解される。即ち、流入エネルギーEが大きいほど動脈瘤が成長することが判明した。従って、流入エネルギーEに基づいて動脈瘤が成長するか否かを精度良く判定することができる。   From FIG. 9 and FIG. 10, it is understood that the amount of increase in the surface area of the aneurysm increases as the inflow energy E increases. That is, it was found that the larger the inflow energy E, the more the aneurysm grows. Therefore, it can be accurately determined whether or not the aneurysm grows based on the inflow energy E.

より具体的な一つの例においては、前記流入エネルギーEが所定の閾値以上であるか否かを判定し、前記流入エネルギーEが前記閾値以上であると判定された場合に動脈瘤が成長すると判定する。これによれば、動脈瘤が成長するか否かを簡単に且つ精度よく判定することができる。勿論、本発明は係る具体例に限定されることはなく、流入エネルギーEが動脈瘤の成長に相関が強いパラメータであることを用いた動脈瘤成長判定方法であれば、どのような方法であっても本発明に含まれる。   In a more specific example, it is determined whether or not the inflow energy E is equal to or greater than a predetermined threshold value, and it is determined that an aneurysm grows when it is determined that the inflow energy E is equal to or greater than the threshold value. To do. According to this, it can be determined easily and accurately whether or not the aneurysm grows. Of course, the present invention is not limited to such a specific example, and any method can be used as long as it is an aneurysm growth determination method using the fact that the inflow energy E is a parameter strongly correlated with the growth of the aneurysm. Is included in the present invention.

更に、本発明の他の一つは、前記動脈瘤成長判定方法に使用される装置である。この装置は、前記動脈瘤及び同動脈瘤に接続した血管を「非圧縮性流体としての血液」が流れる構造体として扱い、前記血管の内部を流れる前記血液に有限体積法を適用することにより前記血液の流速及び圧力を流体解析により取得し、前記取得した流速及び圧力を用いて前記流入エネルギーEを求める装置である。この装置によれば、前記流入エネルギーEを容易に取得することができる。   Furthermore, another aspect of the present invention is an apparatus used for the aneurysm growth determination method. The apparatus treats the aneurysm and the blood vessel connected to the aneurysm as a structure through which “blood as an incompressible fluid” flows, and applies the finite volume method to the blood flowing inside the blood vessel. In this apparatus, the blood flow velocity and pressure are obtained by fluid analysis, and the inflow energy E is obtained using the obtained flow velocity and pressure. According to this apparatus, the inflow energy E can be easily acquired.

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。   Other objects, other features and attendant advantages of the present invention will be readily understood from the description of the embodiments of the present invention described with reference to the following drawings.

CTスキャン(又はMRI)を用いて撮像された「動脈瘤及びその周辺部」の3次元画像を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the three-dimensional image of "aneurysm and its peripheral part" imaged using CT scan (or MRI). 流入エネルギーを算出するための境界条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the boundary conditions for calculating inflow energy. 流入エネルギーの算出方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of inflow energy. ある患者の動脈瘤の表面積及び流入エネルギーの経年変化を示すグラフである。It is a graph which shows a secular change of the surface area and inflow energy of an aneurysm of a certain patient. 別の患者の動脈瘤の表面積及び流入エネルギーの経年変化を示すグラフである。It is a graph which shows the secular change of the surface area and inflow energy of another patient's aneurysm. 別の患者の動脈瘤の表面積及び流入エネルギーの経年変化を示すグラフである。It is a graph which shows the secular change of the surface area and inflow energy of another patient's aneurysm. 別の患者の動脈瘤の表面積及び流入エネルギーの経年変化を示すグラフである。It is a graph which shows the secular change of the surface area and inflow energy of another patient's aneurysm. 別の患者の動脈瘤の表面積及び流入エネルギーの経年変化を示すグラフである。It is a graph which shows the secular change of the surface area and inflow energy of another patient's aneurysm. 複数の患者のそれぞれについての「動脈瘤の表面積増加量と流入エネルギー(圧力エネルギーと運動エネルギーとの和)との関係」を示すグラフである。It is a graph which shows "the relationship between the surface area increase amount of an aneurysm and inflow energy (the sum of pressure energy and kinetic energy)" about each of several patients. 複数の患者のそれぞれについての「動脈瘤の表面積増加量と流入エネルギー(圧力エネルギー)との関係」を示すグラフである。It is a graph which shows "the relationship between the surface area increase amount of an aneurysm and inflow energy (pressure energy)" about each of a some patient. 本発明の実施形態に係る流体解析に使用される要素の斜視図である。It is a perspective view of an element used for fluid analysis concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る流体解析に使用される要素の斜視図である。It is a perspective view of an element used for fluid analysis concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る流体解析において採用されたSIMPLE法による処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence by the SIMPLE method employ | adopted in the fluid analysis which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る流体解析に使用される「境界面に接する要素」の斜視図である。It is a perspective view of "the element which touches a boundary surface" used for the fluid analysis which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る流体解析に使用される「境界面に接する要素」の断面図である。It is sectional drawing of "the element which touches a boundary surface" used for the fluid analysis which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る流体解析における処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence in the fluid analysis which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明による「動脈瘤成長判定方法及び同方法に使用される装置」の実施形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of “an aneurysm growth determination method and an apparatus used in the method” according to the present invention will be described with reference to the drawings.

<画像取得>
先ず、CTスキャン(コンピュータ断層撮影)により「動脈瘤(本例では、脳動脈瘤)及びその周辺部」の3次元画像を取得する。図1は取得された3次元画像の一例を模式的に示す。この例において、動脈瘤10は、複数の血管11〜15が集合している部分に発生している。血管13は動脈瘤10に流入する血液が流れる血管である。その他の血管(11、12、14及び15)は動脈瘤10から流出する血液が流れる血管である。なお、図1に示した形状は一例であって、動脈瘤10が発生する部位及び動脈瘤10の周囲の血管の形状は様々であることは言うまでもない。また、上記画像は、CTスキャンに限られることはなくMRI等を用いて取得されてもよい。
<Image acquisition>
First, a three-dimensional image of “an aneurysm (in this example, a cerebral aneurysm) and its peripheral part” is acquired by CT scan (computer tomography). FIG. 1 schematically shows an example of the acquired three-dimensional image. In this example, the aneurysm 10 is generated at a portion where a plurality of blood vessels 11 to 15 are gathered. The blood vessel 13 is a blood vessel through which blood flowing into the aneurysm 10 flows. The other blood vessels (11, 12, 14 and 15) are blood vessels through which blood flowing out of the aneurysm 10 flows. Note that the shape shown in FIG. 1 is an example, and it goes without saying that the shape of the site where the aneurysm 10 occurs and the blood vessels around the aneurysm 10 are various. The image is not limited to the CT scan, and may be acquired using MRI or the like.

<血液の流速及び圧力の取得>
次に、動脈瘤10の血液流入口10aにおける「血液の流速vin及び圧力Pin」を取得する。本実施形態において、これらの値は、後述する流体解析(非定常流体解析)により求められる。なお、係る解析法の基礎事項は良く知られている(例えば、「数値流体力学:Versteeg & Malalasekera著:森北出版」、「数値流体力学:越塚誠一著:培風館」及び「数値流体工学:荒川忠一著:東京大学出版会」等を参照。)。
<Acquisition of blood flow rate and pressure>
Next, the “blood flow rate vin and pressure Pin” at the blood inlet 10 a of the aneurysm 10 is acquired. In the present embodiment, these values are obtained by fluid analysis (unsteady fluid analysis) described later. The basics of such analysis methods are well known (for example, “Computational Fluid Dynamics: Versteeg & Malalasekera: Morikita Publishing”, “Computational Fluid Dynamics: Seiichi Koshizuka: Bafukan” and “Computational Fluid Engineering: Taichi Arakawa”). Author: The University of Tokyo Press ”.

この解析においては、動脈瘤及びその動脈瘤に接続した血管を「非圧縮性流体としての血液」が流れる構造体として扱い、その血管の内部を流れる血液に有限体積法を適用することにより前記血液の流速及び圧力を取得する。即ち、その非圧縮性流体の基礎方程式を数値的に解くために有限体積法が採用されている。有限体積法に用いられるメッシュとしては、血管(壁)付近には5面体要素が用いられ、血管中心部には4面体要素が用いられる。   In this analysis, the aneurysm and a blood vessel connected to the aneurysm are treated as a structure through which “blood as an incompressible fluid” flows, and the blood is applied by applying a finite volume method to the blood flowing inside the blood vessel. Obtain the flow rate and pressure. That is, the finite volume method is employed to numerically solve the basic equation of the incompressible fluid. As a mesh used in the finite volume method, a pentahedral element is used near the blood vessel (wall), and a tetrahedral element is used at the center of the blood vessel.

加えて、図2に示したように、動脈瘤10から流出する血液が流れる血管11、12、14及び15のそれぞれの端部11a、12a、14a及び15aにおける「境界条件としての圧力」は「0」に設定される。なお、動脈瘤10に流入する血液が流れる血管13の端部13aの圧力は後述する解析により計算により求められる。   In addition, as shown in FIG. 2, “pressure as a boundary condition” at each of the end portions 11 a, 12 a, 14 a and 15 a of the blood vessels 11, 12, 14 and 15 through which blood flowing out from the aneurysm 10 flows is “ 0 "is set. Note that the pressure at the end 13a of the blood vessel 13 through which the blood flowing into the aneurysm 10 flows is obtained by calculation, which will be described later.

更に、動脈瘤10に流入する血液が流れる血管13の端部(流入口端)13aにおける「境界条件としての流速」は「所定流速」に設定される。この流速はベクトルであり、方向は端部13aと直交する方向(血管13の中心軸に平行な方向)である。   Further, the “flow velocity as a boundary condition” at the end portion (inlet end) 13a of the blood vessel 13 through which blood flowing into the aneurysm 10 flows is set to “predetermined flow velocity”. This flow velocity is a vector, and the direction is a direction orthogonal to the end portion 13a (a direction parallel to the central axis of the blood vessel 13).

この「所定流速(速度)」は次のようにして決定される。
(1)「太さ及び身体(例えば、頭部)における位置」が互いに異なる種々の血管について、その血管を流れる血液の流速を予め測定しデータ化しておく。
(2)上述したCTスキャンによって取得された「動脈瘤10の画像」から、血管13の太さ及び端部13aの身体における位置を特定する。
(3)特定された太さ及び位置に対応する(相関を有する)血管内を流れる血液の流速を「予め測定しておいた前記データ」に基づいて決定する。この決定された流速が前述した「所定流速」として採用される。
This “predetermined flow velocity (speed)” is determined as follows.
(1) For various blood vessels having different “thickness and position on the body (for example, the head)”, the flow velocity of blood flowing through the blood vessels is measured in advance and converted into data.
(2) The thickness of the blood vessel 13 and the position of the end portion 13a in the body are specified from the “image of the aneurysm 10” acquired by the CT scan described above.
(3) The flow velocity of the blood flowing in the blood vessel corresponding to the specified thickness and position (having a correlation) is determined based on “the previously measured data”. This determined flow velocity is adopted as the “predetermined flow velocity” described above.

例えば、図2のグラフは、血管13と同等の太さを有する血管であって、端部13aの近傍部位を通過する血管についての「一回の脈動(拍動)における血液の流速」の測定結果を示す。このような流速が境界条件として与えられる。   For example, the graph of FIG. 2 is a blood vessel having a thickness equivalent to that of the blood vessel 13, and measures “the blood flow velocity in one pulsation (pulsation)” for the blood vessel passing through the vicinity of the end portion 13a. Results are shown. Such a flow velocity is given as a boundary condition.

更に、この解析においては、血液表面(即ち、血管壁と接する部分)の流速は「0」に設定される。   Further, in this analysis, the flow velocity of the blood surface (ie, the portion in contact with the blood vessel wall) is set to “0”.

このような境界条件を用いて流体解析(非定常流体解析)を行うことにより、動脈瘤10の血液流入口(血液流出入断面部)10aにおける「血液の流速(ベクトル)vin及び圧力Pin等」が取得される。なお、血液流入口10aは、図1及び図2に示したように、動脈瘤10に接続している血管と動脈瘤10との境界平面(平面領域)を意味する。   By performing fluid analysis (unsteady fluid analysis) using such boundary conditions, “blood flow velocity (vector) vin and pressure Pin, etc.” at the blood inlet (blood inflow / outflow section) 10a of the aneurysm 10 is obtained. Is acquired. In addition, the blood inflow port 10a means the boundary plane (plane area | region) between the blood vessel connected to the aneurysm 10 and the aneurysm 10, as shown in FIG.1 and FIG.2.

<動脈瘤へ流入する血液の流入エネルギーEの取得>
次に、図3に示したように、流速(ベクトル)vinのうち、動脈瘤10に流入する血液の血液流入口(境界平面)10aに直交する成分(流速面直成分)v’in(ベクトル)を求める。次に、血液流入口(境界平面)10aを通過して動脈瘤10に流入する血液の体積流量Qinを下記(1)式に基づいて求める。(1)式においてAinは「流速面直成分v’inの血液」が流れ込む境界平面10aの面積である。

Figure 2015073858
<Acquisition of inflow energy E of blood flowing into the aneurysm>
Next, as shown in FIG. 3, a component (flow velocity surface direct component) v′in (vector) of the flow velocity (vector) vin that is orthogonal to the blood inlet (boundary plane) 10 a of blood flowing into the aneurysm 10. ) Next, the volumetric flow rate Qin of the blood flowing through the blood inlet (boundary plane) 10a and flowing into the aneurysm 10 is obtained based on the following equation (1). In the formula (1), Ain is an area of the boundary plane 10a into which “blood of the flow velocity surface direct component v′in” flows.
Figure 2015073858

次いで、下記(2)式に基づいて、動脈瘤10に流入する流入エネルギーEを求める。(2)式において、ρは血液の密度である。(2)式の右辺第1項は血液流入口(境界平面)10aを通って動脈瘤10に流入する血液の運動エネルギーであり、右辺第2項はその血液の圧力エネルギーである。

Figure 2015073858
Next, the inflow energy E flowing into the aneurysm 10 is obtained based on the following equation (2). In the equation (2), ρ is the blood density. The first term on the right side of the equation (2) is the kinetic energy of blood flowing into the aneurysm 10 through the blood inlet (boundary plane) 10a, and the second term on the right side is the pressure energy of the blood.
Figure 2015073858

なお、実際の計算においては、有限体積法の各要素の血液流入口(境界平面)10aに沿う微小な面領域毎に流入エネルギーEiが計算され、その流入エネルギーEiが境界平面10aのうちの血液が動脈瘤10に流入している領域全体に渡って積算されることにより、流入エネルギーEが求められる。また、後述するように、流入エネルギーEとして、動脈瘤10に流入する血液の圧力エネルギー(Pin・Qin)を採用してもよい。   In actual calculation, inflow energy Ei is calculated for each minute surface area along the blood inlet (boundary plane) 10a of each element of the finite volume method, and the inflow energy Ei is the blood in the boundary plane 10a. Is accumulated over the entire region flowing into the aneurysm 10, whereby the inflow energy E is obtained. Further, as described later, the pressure energy (Pin · Qin) of blood flowing into the aneurysm 10 may be employed as the inflow energy E.

<流入エネルギーEと動脈瘤の成長との関係>
次に、発明者は、流入エネルギーEと動脈瘤(脳動脈瘤)10の成長との関係について調査した。その結果を、図4乃至図8に示す。図4乃至図8は、各年における患者の「上記流入エネルギー及び動脈瘤の表面積からなるポイント」をプロットしたグラフである。但し、図4乃至図8における流入エネルギーは、運動エネルギーと圧力エネルギーとの和である。動脈瘤の表面積には血液流入口(境界平面)10aの面積は含まれない。
<Relationship between inflow energy E and aneurysm growth>
Next, the inventor investigated the relationship between the inflow energy E and the growth of the aneurysm (cerebral aneurysm) 10. The results are shown in FIGS. FIG. 4 to FIG. 8 are graphs in which “points composed of the inflow energy and the surface area of the aneurysm” of the patient in each year are plotted. However, the inflow energy in FIGS. 4 to 8 is the sum of kinetic energy and pressure energy. The surface area of the aneurysm does not include the area of blood inlet (boundary plane) 10a.

図4及び図5は、流入エネルギーEが比較的大きい患者(N1,N2)についてのデータである。例えば、これらの患者の流入エネルギーEは1.5(N・m/s)以上である。これらの患者については、動脈瘤の表面積が次第に増加していること(即ち、動脈瘤が成長していること)が判明した。   4 and 5 are data on patients (N1, N2) whose inflow energy E is relatively large. For example, the inflow energy E of these patients is 1.5 (N · m / s) or more. For these patients, it was found that the surface area of the aneurysm was gradually increasing (ie, the aneurysm was growing).

これに対し、図6乃至図8は、流入エネルギーEが比較的小さい患者(N3、N4及びN5)についてのデータである。例えば、これらの患者の流入エネルギーEは1.5(N・m/s)未満である。これらの患者については、動脈瘤の表面積は略一定であり、殆ど増加していないこと(即ち、動脈瘤が成長しておらず安定していること)が判明した。   On the other hand, FIGS. 6 to 8 are data on patients (N3, N4, and N5) whose inflow energy E is relatively small. For example, the inflow energy E of these patients is less than 1.5 (N · m / s). For these patients, the aneurysm surface area was found to be substantially constant and hardly increased (ie, the aneurysm was not growing and stable).

図9は、動脈瘤の表面積増加量と流入エネルギーEとの関係を示したグラフである。但し、図9における流入エネルギーEは、前述した動脈瘤に流入する血液の「圧力エネルギーと運動エネルギーとの和」である。図10は、動脈瘤の表面積増加量と流入エネルギーEとの関係を示したグラフである。但し、図10における流入エネルギーEは、前述した動脈瘤に流入する血液の「圧力エネルギー」である。また、これらの図における表面積増加量は、1年(一定時間)当たりの「動脈瘤の表面積の増加量」である。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the increase in the surface area of the aneurysm and the inflow energy E. However, the inflow energy E in FIG. 9 is “the sum of pressure energy and kinetic energy” of blood flowing into the aneurysm described above. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the increase in the surface area of the aneurysm and the inflow energy E. However, inflow energy E in FIG. 10 is “pressure energy” of blood flowing into the aneurysm described above. In addition, the surface area increase amount in these figures is “an increase amount of the surface area of the aneurysm” per one year (fixed time).

図9及び図10から、流入エネルギーEが大きいほど動脈瘤の表面積増加量が大きくなるという結論が得られた。従って、本実施形態においては、流入エネルギーEに基づいて動脈瘤が成長するか否かを判定する。即ち、流入エネルギーEが大きいほど、動脈瘤が成長する可能性が高いと判定する。これにより、動脈瘤が成長する可能性を精度よく推定することができる。   From FIG. 9 and FIG. 10, it was concluded that the greater the inflow energy E, the greater the amount of increase in the surface area of the aneurysm. Therefore, in this embodiment, it is determined whether or not the aneurysm grows based on the inflow energy E. That is, it is determined that the greater the inflow energy E, the higher the possibility of aneurysm growth. Thereby, the possibility that the aneurysm grows can be accurately estimated.

別の方法では、流入エネルギーEが所定の閾値Eth(例えばEth=1.5(N・m/s))以上であるか否かを判定し、流入エネルギーEが所定の閾値Eth以上であるとき、動脈瘤が成長すると判定する。一方、流入エネルギーEが所定の閾値Eth未満であるとき、動脈瘤は安定していると判定する。これによっても、動脈瘤が成長するか否かを精度よく判定することができる。   In another method, it is determined whether or not the inflow energy E is equal to or greater than a predetermined threshold Eth (for example, Eth = 1.5 (N · m / s)), and the inflow energy E is equal to or greater than the predetermined threshold Eth. Determine that the aneurysm grows. On the other hand, when the inflow energy E is less than the predetermined threshold Eth, it is determined that the aneurysm is stable. This also makes it possible to accurately determine whether or not the aneurysm grows.

<血液の流速vin及び圧力Pinを取得するための流体解析>
ところで、上述したように、上記(1)式及び(2)式にて流入エネルギーEを算出するために用いられる「流速vin及び圧力Pin」は流体解析(非定常流体解析)に基づく数値計算をコンピュータにより行うことによって求められる。以下、この解析手法について述べる。但し、以下の手法は一例であり、本願発明がこれに限定されるものではない。
<Fluid analysis for obtaining blood flow velocity vin and pressure Pin>
By the way, as described above, the “flow velocity vin and pressure Pin” used for calculating the inflow energy E in the above formulas (1) and (2) are calculated based on the fluid analysis (unsteady fluid analysis). It is calculated by performing it with a computer. This analysis method will be described below. However, the following method is an example, and the present invention is not limited to this.

1.流体の理論式
この解析においては、血液を非圧縮性流体として扱う。更に、その非圧縮性流体は、基礎方程式としての「連続の式及び運動量保存の式」を満足するとの仮定に立つ。これらの式は周知である。なお、運動量保存の式においては、血液の粘性も考慮される。一方、温度分布は存在していないと考えてよいので、エネルギー保存の式は無視する。更に、血液の流れはレイノルズ数が低いので、層流として扱う。
1. In this analysis, blood is treated as an incompressible fluid. Further, it is assumed that the incompressible fluid satisfies the “continuity equation and momentum conservation equation” as a basic equation. These equations are well known. In the momentum conservation formula, blood viscosity is also taken into account. On the other hand, since it may be considered that there is no temperature distribution, the energy conservation formula is ignored. Furthermore, since the blood flow has a low Reynolds number, it is treated as a laminar flow.

上記連続の式は次の(1−1)式である。

Figure 2015073858
The continuous equation is the following equation (1-1).
Figure 2015073858

上記運動量保存の式は、次の(1−2)、(1−3)及び(1−4)式である。運動量保存の式は「Navier-Stokesの式」とも称呼される。

Figure 2015073858
Figure 2015073858
Figure 2015073858
The above equations for conservation of momentum are the following equations (1-2), (1-3), and (1-4). The equation of conservation of momentum is also called “Navier-Stokes equation”.
Figure 2015073858
Figure 2015073858
Figure 2015073858

ここで、
{u}=(u,v,w)は速度([m/s])であり、
Pは圧力([Pa]=[N/m]=[Kg/(m・s)])であり、
ρは密度([Kg/m])であり、
μは粘性係数([Kg/(m・s)])である。
here,
{U} = (u, v, w) is the speed ([m / s])
P is the pressure ([Pa] = [N / m 2 ] = [Kg / (m · s 2 )]),
ρ is the density ([Kg / m 3 ]),
μ is a viscosity coefficient ([Kg / (m · s)]).

2.数値解法:有限体積法
2−1:有限体積法の理論式
上述したように、これらの基礎方程式を解くために、本例では有限体積法を採用した。なお、計算精度の確保及びメッシュの自動作成を目的として、血管近傍部位は5面体要素(プリズム要素)を用いるとともに血管中心部は4面体要素(テトラ要素)を用いてモデル化を行った。
2. Numerical method: Finite volume method 2-1: Theoretical formula of the finite volume method As described above, in order to solve these basic equations, the finite volume method was adopted in this example. For the purpose of ensuring calculation accuracy and automatically creating a mesh, modeling was performed using a pentahedral element (prism element) for the vicinity of the blood vessel and a tetrahedral element (tetra element) for the central part of the blood vessel.

より具体的に述べると、上記連続の式(1−1)を流体の領域内部の微小空間CVで積分し、更に、Gaussの発散定理を適用することにより、次の(2−1)式が得られる。なお、{n}は図11に示したように、微小空間の表面Sにおける法線ベクトルである。

Figure 2015073858
More specifically, the following equation (2-1) is obtained by integrating the above continuous equation (1-1) with a minute space CV inside the fluid region and applying Gauss's divergence theorem. can get. Note that {n} is a normal vector on the surface S of the minute space as shown in FIG.
Figure 2015073858

同様に、上記運動量保存の式(1−2〜4)式からも、以下の(2−2〜4)式が得られる。

Figure 2015073858
Figure 2015073858
Figure 2015073858
Similarly, the following equations (2-2 to 4) are obtained from the equations (1-2 to 4) for preserving the momentum.
Figure 2015073858
Figure 2015073858
Figure 2015073858

2−2:離散化
本例では、数値計算のための離散化を行うため、速度及び圧力は各要素の中心位置で定義されるコロケート格子とする。
2-2: Discretization In this example, in order to perform discretization for numerical calculation, the velocity and pressure are assumed to be a collocated grid defined by the center position of each element.

更に、本例では、要素(4面体要素及び5面体要素)毎に基礎方程式を体積積分することにより、要素毎の圧力と流速とを未知数とする非定常方程式(下記の(2−6)式)を得て、計算を行う。   Further, in this example, the unsteady equation (the following (2-6) equation) in which the pressure and flow velocity for each element are unknown by volume integrating the basic equations for each element (tetrahedral element and pentahedral element). ) And calculate.

具体的に述べると、要素の界面における流速(即ち、要素の界面における流量)Fsを次の(2−5)式により定義する。ここで、ΔAは界面の面積、{u}は界面上の速度、{n}は界面外向きの法線ベクトルである。

Figure 2015073858
More specifically, the flow velocity at the element interface (that is, the flow rate at the element interface) Fs is defined by the following equation (2-5). Here, ΔA s is the area of the interface, {u s } is the velocity on the interface, and {n s } is the normal vector outward from the interface.
Figure 2015073858

すると、運動量保存の式(Navier-Stokesの式、(2−2〜4)式)は、次の(2−6)式に置換される。ここで、ΔVは要素の体積、Pは界面上の圧力、[τ]は界面上の応力テンソルである。

Figure 2015073858
Then, the momentum conservation formula (Navier-Stokes formula, formula (2-2-4)) is replaced with the following formula (2-6). Here, ΔV is the volume of the element, P s is the pressure on the interface, and [τ s ] is the stress tensor on the interface.
Figure 2015073858

3.非定常流れに対する有限体積法
本例では血液を非圧縮性流体として扱っているので、連続の式である(1−1)式には時間微分項がないが、運動量保存の式(2−2〜4)式には時間微分項がある。時間微分項を扱う手法には、陽解法、Crank−Nicolson法(中心差分法)、及び、多用される陰解法等があり、何れを採用してもよい。但し、本例では、コーディングが容易であり且つ連立一次方程式の解法が不要である陽解法を採用した。
3. Finite volume method for unsteady flow Since blood is treated as an incompressible fluid in this example, the continuous equation (1-1) has no time differential term, but the momentum conservation equation (2-2 ˜4) has a time derivative term. There are explicit methods, a Crank-Nicolson method (central difference method), a frequently used implicit method, and the like as methods for handling the time differential term, and any of them may be adopted. However, in this example, an explicit method that employs easy coding and does not require the solution of simultaneous linear equations is employed.

具体的に述べると、置換された運動量保存の(2−6)式に陽解法を適用することにより、次の(3−1)式が得られる。この式において、右下の添え字「P」は着目要素を表し、右上の添え字「n」は時刻を表す。右辺第2項の括弧内の1番目の項は対流項、2番目の項は圧力項、3番目の項は拡散項である。

Figure 2015073858
More specifically, the following equation (3-1) can be obtained by applying the explicit method to the replaced equation (2-6) for conservation of momentum. In this equation, the lower right subscript “P” represents the element of interest, and the upper right subscript “n” represents time. The first term in parentheses in the second term on the right side is a convection term, the second term is a pressure term, and the third term is a diffusion term.
Figure 2015073858

陽解法を適用する場合、時刻刻みΔtは次の(3−2)式により示されるクーラン条件を満足する必要がある。これは、時刻刻みΔtの間に許される流体の移動距離が1メッシュ未満であることに相当する。例えば、最大速度を800[mm/s]、メッシュサイズを0.2[mm]とすると、Δtは0.25[ms]以下でなければならない。

Figure 2015073858
When the explicit method is applied, the time step Δt needs to satisfy the Courant condition expressed by the following equation (3-2). This corresponds to the movement distance of the fluid allowed during the time step Δt being less than 1 mesh. For example, if the maximum speed is 800 [mm / s] and the mesh size is 0.2 [mm], Δt must be 0.25 [ms] or less.
Figure 2015073858

4.拡散項の離散化
(3−1)式における拡散項における「界面上の応力テンソル[τ]と、図12に示した界面を挟む要素間の中心間を結ぶベクトル{γPA}と、の内積は次の(4−1)式により計算することができる。なお、μは粘性係数である。

Figure 2015073858
4). Discretization of diffusion term “Difference term in equation (3-1)“ Stress tensor [τ s ] on interface and vector {γ PA } connecting the centers between elements sandwiching the interface shown in FIG. The inner product can be calculated by the following equation (4-1), where μ is a viscosity coefficient.
Figure 2015073858

ここで、ベクトル{γPA}の向きと界面の法線ベクトル{ns}の向きとが等しいと仮定すると、(3−1)式における拡散項は次の(4−2)式で表される。

Figure 2015073858
Assuming that the direction of the vector {γ PA } is equal to the direction of the interface normal vector {n s }, the diffusion term in the equation (3-1) is expressed by the following equation (4-2). The
Figure 2015073858

上記仮定は一般的には成立しないが、以下の理由により(4−2)式を採用する。
(1)拡散項は流体解析結果に与える影響が小さい。
(2)メッシュに分割した結果として生じる歪み及びアスペクト比が適正な範囲であれば、上記仮定は成立する。
(3)計算量を少なくすることができる。
The above assumption does not generally hold, but formula (4-2) is adopted for the following reason.
(1) The diffusion term has little influence on the fluid analysis result.
(2) The above assumption holds if the distortion and aspect ratio resulting from the division into meshes are in an appropriate range.
(3) The amount of calculation can be reduced.

(4−2)式を用いることにより、(3−1)式における拡散項は次の(4−3)式で表される。

Figure 2015073858
By using the equation (4-2), the diffusion term in the equation (3-1) is expressed by the following equation (4-3).
Figure 2015073858

上記(4−3)式の係数は以下のとおりである。

Figure 2015073858
Figure 2015073858
The coefficients of the above equation (4-3) are as follows.
Figure 2015073858
Figure 2015073858

5.対流項の離散化
(3−1)式における対流項は次式で与えられる。

Figure 2015073858
5. Discretization of convection term The convection term in equation (3-1) is given by the following equation.
Figure 2015073858

流束Fsを計算するためには界面中心の速度(界面速度)u={u}・{n}を計算する必要がある。本例では、RhieとChowの補間方法を適用した。これによれば、要素Pと要素Aとの間の界面速度uは次式で与えられる。

Figure 2015073858
In order to calculate the flux Fs, it is necessary to calculate the interface center velocity (interface velocity) u f = {u s } · {n s }. In this example, the Rhie and Chow interpolation methods are applied. According to this, the interface velocity uf between the element P and the element A is given by the following equation.
Figure 2015073858

ここで、∇p|は要素Pの中心における圧力の勾配であり、∇p|は要素Aの中心における圧力の勾配である。これらは、勾配再構築(再構成)法を用いることにより、接続する要素の圧力から計算することができる。 Here, ∇p | p is a pressure gradient at the center of the element P, and ∇p | A is a pressure gradient at the center of the element A. These can be calculated from the pressure of the connecting elements by using a gradient reconstruction (reconstruction) method.

及びaは、定常状態のNavier−Stokesの式を離散化した際に、要素Pと要素Aの速度に関する対角項となる値であり、(2−6)式と(4−2)式とから計算することができる。一例としてaの導出を以下に示す。 a p and a A are values that become diagonal terms related to the speeds of the element P and the element A when the steady-state Navier-Stokes expression is discretized, and the expressions (2-6) and (4-2) ) And the formula. As an example, derivation of ap is shown below.

(2−6)式を定常状態の式に置き換えると次式が得られる。

Figure 2015073858
この式に(4−2)式を適用すると次式が得られる。
Figure 2015073858
When the equation (2-6) is replaced with a steady state equation, the following equation is obtained.
Figure 2015073858
When the equation (4-2) is applied to this equation, the following equation is obtained.
Figure 2015073858

更に、界面上の速度{u}を、その界面に接続する要素の中心差分として与え、更に、両辺にρを乗じることにより次式が得られる。

Figure 2015073858
Further, the following equation is obtained by giving the velocity {u s } on the interface as the center difference of the elements connected to the interface and multiplying both sides by ρ.
Figure 2015073858

この式から、要素Pの速度{u}に関する係数を抽出すると、次の(5−3)式が得られる。なお、(5−3)式は風上差分法ではなく中心差分法を適用している。

Figure 2015073858
以上により、{u}が求められるので、(2−5)式から流束Fsを計算することができる。 From this equation, when extracting a coefficient related to the velocity of the element P {u p}, the following (5-3) is obtained. The equation (5-3) applies the center difference method instead of the upwind difference method.
Figure 2015073858
As described above, {u f } is obtained, and thus the flux Fs can be calculated from the equation (2-5).

一方、(5−1)式の対流項の速度{u}の計算には、精度向上のために中心差分法ではなく風上差分法を適用する。本例においては、風上差分法としてTVD(Total Variation Diminishing)法を用いる。このTVD法においては、要素Pと要素Aとの界面におけるφを次式により与える。ここで、Uは風上側要素を表し、Dは風下側要素を表す。

Figure 2015073858
On the other hand, the upwind difference method, not the center difference method, is applied to the calculation of the velocity {u s } of the convection term in equation (5-1) in order to improve accuracy. In this example, a TVD (Total Variation Diminishing) method is used as the upwind difference method. In this TVD method, φ s at the interface between element P and element A is given by the following equation. Here, U represents the leeward element, and D represents the leeward element.
Figure 2015073858

ここで、γは要素Pと要素Aとの間のベクトル{γPA}を用いた次式で定義される。

Figure 2015073858
Here, γ s is defined by the following equation using a vector {γ PA } between the element P and the element A.
Figure 2015073858

一方、(5−4)式の流速制限関数には以下に示す複数の関数の中の一つを採用すればよい。

Figure 2015073858
On the other hand, one of a plurality of functions shown below may be adopted as the flow rate limiting function of the formula (5-4).
Figure 2015073858

(5−5)式における∇φは、以下に述べるように、勾配再構築のための最小2乗法により求める。 ∇φ P in the equation (5-5) is obtained by the least square method for gradient reconstruction as described below.

要素Pが要素A,B,C,Dに界面にて接しているとすると、次の式((5−13〜16)式)が得られ、これらを行列表現すると(5−17)式が得られる。

Figure 2015073858
Figure 2015073858
Assuming that the element P is in contact with the elements A, B, C, and D at the interface, the following expression (expression (5-13 to 16)) is obtained. can get.
Figure 2015073858
Figure 2015073858

(5−17)式の最小2乗解は次式により得られる。これにより得られる最小2乗解を∇φとして使用する。

Figure 2015073858
The least square solution of equation (5-17) is obtained by the following equation. Using the least-squares solution obtained thereby as ∇φ P.
Figure 2015073858

ところで、(5−4)式をそのまま用いると、界面速度が変数として現れる。従って、以下の手順により界面速度を要素中心速度に置き換える。
先ず、(5−1)式に(5−4)式を適用する。

Figure 2015073858
By the way, when the equation (5-4) is used as it is, the interface velocity appears as a variable. Therefore, the interface speed is replaced with the element center speed by the following procedure.
First, the equation (5-4) is applied to the equation (5-1).
Figure 2015073858

この結果、(5−1)式は次式のように表される。

Figure 2015073858
As a result, the equation (5-1) is expressed as the following equation.
Figure 2015073858

(5−22)式の係数は以下のように導出することができる。先ず、(5−19)式を速度の方向成分毎に記述すると次の3つの(5−23、24、25)式が得られる。

Figure 2015073858
The coefficient of the equation (5-22) can be derived as follows. First, when the equation (5-19) is described for each velocity direction component, the following three equations (5-23, 24, 25) are obtained.
Figure 2015073858

(5−23,24、25)式を行列により表現すると、次の式が得られる。

Figure 2015073858
When the expression (5-23, 24, 25) is expressed by a matrix, the following expression is obtained.
Figure 2015073858

この式から、(5−22)式の各係数は次の(5−27)式及び(5−28)式により表される。

Figure 2015073858
Figure 2015073858
From this equation, each coefficient of the equation (5-22) is expressed by the following equations (5-27) and (5-28).
Figure 2015073858
Figure 2015073858

6.圧力項の離散化
(3−1)式における圧力項は次の(6−1)式で与えられる。

Figure 2015073858
6). Discretization of pressure term The pressure term in equation (3-1) is given by the following equation (6-1).
Figure 2015073858

本例においては、この圧力項を界面上の圧力Pを使った次の(6−2)式により求める。この式は近似式である。

Figure 2015073858
In this example, determined by the pressure section of the next using the pressure P s on the interface (6-2) below. This expression is an approximate expression.
Figure 2015073858

ここで、界面上の圧力Pは、次の(6−3)式に示したように、その界面を共有する2つの要素の圧力の平均として近似的に求める。

Figure 2015073858
Here, the pressure P s on the interface, as shown in the following (6-3) equation, obtained approximately as the average of the pressure of the two elements that share the interface.
Figure 2015073858

以上から、(6−1)式は次の(6−4〜6)式のように変形される。これらの式により圧力項が求められる。

Figure 2015073858
From the above, the equation (6-1) is transformed into the following equations (6-4 to 6). These terms determine the pressure term.
Figure 2015073858

7.SIMPLE法による圧力の更新
上記(3−1)式を用いることにより時刻n+1の速度を計算することができる。しかしながら、圧力そのものは連続の式を用いて以下のように計算する。この圧力の計算には、SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)を適用する。SIMPLE法は、以下に述べるように速度と圧力の補正値を用いる。
7). Update of pressure by SIMPLE method The speed at time n + 1 can be calculated by using the above equation (3-1). However, the pressure itself is calculated as follows using a continuous equation. For calculating the pressure, SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) is applied. The SIMPLE method uses speed and pressure correction values as described below.

先ず、(3−1)式に陰解法を適用し、更に、(4−3)式、(5−22)式及び(6−4)式を用いて書き換えると、次の(7−1)式が得られる。

Figure 2015073858
First, when the implicit method is applied to the equation (3-1) and further rewritten using the equations (4-3), (5-22) and (6-4), the following (7-1) The formula is obtained.
Figure 2015073858

ここで、(3−1)式にて予測した速度を{uとすると、(7−1)式は次の(7−2)式に変形される。

Figure 2015073858
Here, when the speed predicted by the equation (3-1) is {u P } * , the equation (7-1) is transformed into the following equation (7-2).
Figure 2015073858

ここで、真の速度u、予測した速度u、速度の補正値u’の間には下記の(7−3)式の関係があると仮定する。
同様に、真の圧力p、予測した圧力p、圧力の補正値p’の間には下記の(7−4)式の関係があると仮定する。

Figure 2015073858
Here, it is assumed that there is a relationship of the following equation (7-3) among the true speed u, the predicted speed u * , and the speed correction value u ′.
Similarly, it is assumed that there is a relationship of the following equation (7-4) among the true pressure p, the predicted pressure p * , and the pressure correction value p ′.
Figure 2015073858

(7−1)式から(7−2)式を差し引き、(7−3)式及び(7−4)式を適用すると次の(7−5)式が得られる。

Figure 2015073858
By subtracting (7-2) from (7-1) and applying (7-3) and (7-4), the following (7-5) is obtained.
Figure 2015073858

(7−5)式中の隣接要素速度に関する和を無視すると次の式が得られる。

Figure 2015073858
If the sum regarding the adjacent element velocity in the equation (7-5) is ignored, the following equation is obtained.
Figure 2015073858

(7−8)式の逆行列は、対角行列(対角行列である元の行列)の逆行列である。従って、(7−8)式の逆行列は、元の行列の対角項を逆数にすることにより求めることができる(即ち、ベクトルの成分毎に逆数を乗じればよい。)。
なお、以降において出現する記号の意味を次の(7−9)式により表しておく。

Figure 2015073858
The inverse matrix of Expression (7-8) is an inverse matrix of a diagonal matrix (an original matrix that is a diagonal matrix). Therefore, the inverse matrix of the expression (7-8) can be obtained by making the diagonal term of the original matrix the reciprocal (that is, the reciprocal may be multiplied for each vector component).
In addition, the meaning of the symbol which appears afterwards is represented by the following (7-9) Formula.
Figure 2015073858

上記(7−7)式は、「速度の補正値は、隣接する要素の圧力の補正値と一致する。」ことを示している。   The above equation (7-7) indicates that “the speed correction value matches the pressure correction value of the adjacent element”.

更に、(7−7)式の関係を連続の式に適用することにより、圧力の補正値に関する式を導出する。
先ず、要素Pに関する連続の式である(2−1)式は次の式により表される。

Figure 2015073858
Further, an expression relating to the correction value of the pressure is derived by applying the relationship of the expression (7-7) to the continuous expression.
First, equation (2-1), which is a continuous equation for element P, is expressed by the following equation.
Figure 2015073858

ここで、次式に示したように、界面中心速度{un+1は隣接する要素の速度の平均で表されるものと仮定する。

Figure 2015073858
Figure 2015073858
Here, as shown in the following equation, it is assumed that the interface center velocity {u s } n + 1 is expressed by the average of the velocity of adjacent elements.
Figure 2015073858
Figure 2015073858

ここで、閉空間の表面積と法線ベクトルとの間には次の関係式が成立する。

Figure 2015073858
Here, the following relational expression is established between the surface area of the closed space and the normal vector.
Figure 2015073858

これを(7−12)式に適用すると次の(7−14)式が得られる。

Figure 2015073858
When this is applied to the equation (7-12), the following equation (7-14) is obtained.
Figure 2015073858

これに(7−7)式を適用すると、次の(7−15)式が得られる。

Figure 2015073858
When the equation (7-7) is applied to this, the following equation (7-15) is obtained.
Figure 2015073858

(7−15)式を整理すると次の(7−16)式が得られる。(7−16)式の係数は(7−17)式及び(7−18)式により表される。

Figure 2015073858
Figure 2015073858
Figure 2015073858
If the formula (7-15) is rearranged, the following formula (7-16) is obtained. The coefficient of the expression (7-16) is expressed by the expressions (7-17) and (7-18).
Figure 2015073858
Figure 2015073858
Figure 2015073858

(7−16)式を各要素について連立させれば、圧力の補正値p’に関する連立一次方程式が得られる。これを解くことにより圧力の補正値を得ることができる。この連立一次方程式はポアソン方程式の解法に相当していると考えられる。
更に、(7−16)式を解くことにより得られた圧力の補正値p’を(7−7)式に代入することにより、要素中心の速度の補正値{u}’を得ることができる。
If the equation (7-16) is made simultaneous for each element, a simultaneous linear equation relating to the pressure correction value p ′ is obtained. By solving this, a pressure correction value can be obtained. This simultaneous linear equation is considered to correspond to the solution of the Poisson equation.
Further, by substituting the pressure correction value p ′ obtained by solving the equation (7-16) into the equation (7-7), the element center speed correction value {u P } ′ can be obtained. it can.

以上により得られた補正値を用いて圧力と速度を更新する。但し、圧力の補正値の発散を防ぐためにここでは緩和法を適用する。緩和係数αを(0<α<1)の値とすると、圧力の更新式は次の(7−19)式のように表現される。

Figure 2015073858
The pressure and speed are updated using the correction value obtained as described above. However, a relaxation method is applied here to prevent the pressure correction value from diverging. When the relaxation coefficient α p is a value of (0 <α p <1), the pressure update equation is expressed as the following equation (7-19).
Figure 2015073858

速度も緩和係数を用いて更新を行う。但し、次の(7−20)式を用いる。
ここで、{uoldは、SIMPLE法における一回前の反復計算により求めた値である。

Figure 2015073858
The speed is also updated using the relaxation factor. However, the following equation (7-20) is used.
Here, {u P } old is a value obtained by the previous iterative calculation in the SIMPLE method.
Figure 2015073858

上記(7−20)式により更新した速度を下記の(7−21)式に適用して流束Fsnewを計算する。そして、(7−10)式の連続の式が満足されなければ、(7−16)式を用いた圧力補正値の計算を繰り返し行う。

Figure 2015073858
Calculating the flux Fs new new by applying the rate has been updated by the (7-20) expression (7-21) below. If the continuous equation (7-10) is not satisfied, the calculation of the pressure correction value using the equation (7-16) is repeated.
Figure 2015073858

以上に説明したSIMPLE法の計算手順を参考として図13のフローチャートにより示した。流速が連続の式を満たしているか否かの判定は、数値誤差を考慮して最大の流速の相対値を基準に判定している(S4を参照。)。なお、{u}は流入速度である。 The calculation procedure of the SIMPLE method described above is shown in the flowchart of FIG. 13 as a reference. Whether or not the flow rate satisfies the continuity formula is determined based on the relative value of the maximum flow rate in consideration of numerical errors (see S4). Note that {u L } is an inflow velocity.

8.境界条件
本例においては、境界条件として、次の3種類の条件を設定できる。
(1)速度の時間変化
(2)圧力の時間変化
(3)壁面
なお、壁面は可動であるが、速度に比べ壁面の移動速度は微小であるので、無視する。よって、構造側との連成は圧力の釣り合いを満足することにより実現する。また、固体の壁での速度成分に対しては、すべりなしの条件(non-slip condition) {u}=0が適切
な条件であり、これを本例にも適用した。
8). Boundary conditions In this example, the following three types of conditions can be set as boundary conditions.
(1) Time change of speed (2) Time change of pressure (3) Wall surface Although the wall surface is movable, the moving speed of the wall surface is negligible compared to the speed, so it is ignored. Therefore, the coupling with the structure side is realized by satisfying the balance of pressure. For the velocity component at the solid wall, the non-slip condition {u} = 0 is an appropriate condition, and this was also applied to this example.

(1)拡散項の境界条件
(1A)速度境界条件
前述した「4.拡散項の離散化」において、要素Pを速度境界面に接続する要素とする。そして、要素Pに接続する要素Aの代わりに、図14に示したように、要素Pの中心から境界面に下した垂線の足の位置をLとすると、(4−2)式は次の(8−1)式となる。{u}は境界面の速度である。この(8−1)式を(3−2)式に適用することにより、速度境界条件を取り込むことができる。

Figure 2015073858
(1) Diffusion term boundary condition (1A) Velocity boundary condition In “4. Discretization of diffusion term” described above, element P is an element connected to the velocity boundary surface. Then, instead of the element A connected to the element P, as shown in FIG. 14, assuming that the position of the leg of the perpendicular line extending from the center of the element P to the boundary surface is L, the equation (4-2) (8-1). {U L } is the boundary surface velocity. By applying the equation (8-1) to the equation (3-2), the speed boundary condition can be captured.
Figure 2015073858

(1B)圧力境界条件
圧力境界条件が設定された場合、境界面の速度{u}は、要素の中心の速度{un+1と等しいと考える。よって圧力境界条件として次の(8−2)式が得られる。

Figure 2015073858
(1B) Pressure boundary condition When the pressure boundary condition is set, the boundary surface speed {u L } is considered to be equal to the element center speed {u p } n + 1 . Therefore, the following equation (8-2) is obtained as the pressure boundary condition.
Figure 2015073858

(1C)壁面境界条件
上述のすべりなしの条件(non-slip condition)を適用すると、{u}=0である。よって、(8−1)式は次の(8−3)式となる。

Figure 2015073858
(1C) Wall boundary condition When the above-mentioned non-slip condition is applied, {u L } = 0. Therefore, the equation (8-1) becomes the following equation (8-3).
Figure 2015073858

(2)対流項の境界条件
(2A)速度境界条件
速度境界の速度を{u}、速度境界の要素から見た境界面の法線ベクトルを{n}とするとき、速度境界の界面速度uは(5−2)式に代わり、次の(8−4)式により表される。

Figure 2015073858
(2) Boundary condition of convection term (2A) Velocity boundary condition When the velocity boundary velocity is {u L } and the normal vector of the boundary surface viewed from the velocity boundary element is {n L }, the velocity boundary interface The speed uf is expressed by the following equation (8-4) instead of the equation (5-2).
Figure 2015073858

速度境界における流束Fは、この速度uを用いて計算する。更に、(3−2)式における界面の速度{un+1は、速度境界の速度{u}をそのまま利用することができる。 The flux F s at the velocity boundary is calculated using this velocity u f . Furthermore, the velocity {u S } n + 1 at the interface in the equation (3-2) can use the velocity {u L } at the velocity boundary as it is.

ところで、境界要素Pのaは境界要素Pに接続する要素との界面速度計算及びSIMPLE法での連立一次方程式の作成に必要である。境界要素Pのaも上記(5−3)式を用いて求める。但し、境界面の速度{u}が既知({u}={u})であるから、境界要素Pのaを求める場合の(5−3)式は次の(8−5)式へと変更される((8−5)式の変数については図15を参照)。

Figure 2015073858
By the way, ap of the boundary element P is necessary for calculation of the interface velocity with the element connected to the boundary element P and creation of simultaneous linear equations by the SIMPLE method. The ap of the boundary element P is also obtained using the above equation (5-3). However, since the boundary surface velocity {u S } is known ({u S } = {u L }), the equation (5-3) for obtaining ap of the boundary element P is expressed by the following (8-5) ) Formula (see FIG. 15 for the variables of formula (8-5)).
Figure 2015073858

(2B)圧力境界条件
圧力境界条件が設定された場合、境界面の速度{u}は要素中心の速度{u}と等しいと考えるので、流束Fを計算する際のuは次の(8−6)式から計算する。

Figure 2015073858
(2B) Pressure boundary condition When the pressure boundary condition is set, it is considered that the boundary surface speed {u L } is equal to the element center speed {u P }, so that u f in calculating the flux F L is Calculate from the following equation (8-6).
Figure 2015073858

(3−2)式における界面の速度{un+1には要素中心の速度{un+1をそのまま利用すればよい。
更に、境界面での速度{u}={u}であるから、(5−3)式は次の(8−7)式に示すようになる。Fは境界面の流束である。

Figure 2015073858
The interface center velocity {u P } n + 1 may be used as it is for the interface velocity {u S } n + 1 in the equation (3-2).
Furthermore, since the velocity {u S } = {u P } at the boundary surface, the expression (5-3) is as shown in the following expression (8-7). F L is the flux of the interface.
Figure 2015073858

(2C)壁面境界条件
上述のすべりなしの条件(non-slip condition)を適用すると、{u}=0である。よって、(8−1)式は次の(8−8)式となる。

Figure 2015073858
(2C) Wall surface boundary condition When the above-mentioned non-slip condition is applied, {u L } = 0. Therefore, the equation (8-1) becomes the following equation (8-8).
Figure 2015073858

(3)圧力項の境界条件
境界条件が設定されている場合(即ち、隣接要素が3個以上ない場合)、(6−1)式で必要な圧力勾配∇pの再構築のために最小2乗法を適用できない。よって、この場合、圧力勾配はゼロ(∇p=0)とする。
(3) Boundary condition of pressure term When boundary condition is set (that is, when there are not three or more adjacent elements), a minimum of 2 is necessary for reconstructing the pressure gradient ∇p required in equation (6-1). Multiplication cannot be applied. Therefore, in this case, the pressure gradient is zero (∇p = 0).

(4)SIMPLE法の取り扱い
(4A)速度境界条件
速度境界の流束(既知)をFinとすると、(7−4)式〜(7−7)式は次のとおりとなる。ここで、inner
surfacesとは速度境界以外の界面を意味する。

Figure 2015073858
(4) Handling of SIMPLE method (4A) Velocity boundary condition If the flux (known) of the velocity boundary is Fin, equations (7-4) to (7-7) are as follows. Where inner
surfaces means interfaces other than velocity boundaries.
Figure 2015073858

また、速度境界では圧力は変化しないと仮定すればよい。よって、圧力勾配を(6−4)式にて計算する際の界面圧力Pは、次の(8−14)式により計算される。

Figure 2015073858
Further, it may be assumed that the pressure does not change at the velocity boundary. Thus, the interface pressure P S in calculating the pressure gradient at (6-4) equation is calculated by the following (8-14) below.
Figure 2015073858

(4B)圧力境界条件
圧力境界条件が設定された場合、境界上の要素中心の圧力Pは境界上の圧力Pと等しいと考える。
(4C)壁面境界条件
壁面への流入出はないので、(7−7)式の和から壁面を除外する。また、壁面境界では圧力は変化しないと仮定すればよい。よって、圧力勾配を(6−4)式により計算する際の界面圧力PはP=Pとして計算する。
(4B) Pressure boundary condition When the pressure boundary condition is set, it is considered that the pressure P P at the element center on the boundary is equal to the pressure P L on the boundary.
(4C) Wall boundary condition Since there is no inflow / outflow to / from the wall surface, the wall surface is excluded from the sum of equations (7-7). Further, it may be assumed that the pressure does not change at the wall boundary. Therefore, the interface pressure P S when the pressure gradient is calculated by the equation (6-4) is calculated as P S = P P.

<実装>
一般に、このような有限体積法を用いた解析(シミュレーション)は、入力部、記憶部、演算部及び出力部をハードウェアとして有する汎用又は専用コンピュータにより実施することができる。即ち、入力部を用いて「流体(血液)の流れる構造物」を、複数の要素に分割することによりモデルを構築し、そのモデルが記憶部に記憶され、演算部がそのモデルを用いて流体解析を実施する。出力部はその解析結果を出力する。なお、解析の前段の処理としてプリプロセッサを用いてもよく、解析の後段の処理としてポストプロセッサを用いてもよい。
<Implementation>
In general, the analysis (simulation) using such a finite volume method can be performed by a general-purpose or dedicated computer having an input unit, a storage unit, a calculation unit, and an output unit as hardware. That is, a model is constructed by dividing a “structure in which fluid (blood) flows” into a plurality of elements using an input unit, the model is stored in a storage unit, and a calculation unit uses the model to create a fluid. Perform analysis. The output unit outputs the analysis result. Note that a preprocessor may be used as a process before the analysis, and a post processor may be used as a process after the analysis.

<処理手順>
図16は以上に述べた解析に従って計算を行う処理の流れを示す概略フローチャートである。以下、各処理について簡単に説明する。
ステップ105:演算部は、血液の速度(流速){u}及び圧力Pの初期値を設定する。例えば、速度{u}の初期値は、上述したように決定された「所定流速」の一回の脈動(拍動)における最大値に設定されてもよく、「所定流速」の一回の脈動における平均値に設定されてもよい。圧力Pの初期値は、所定の一定値(例えば、「0」又は患者の血圧に応じた「0以外の値」)に設定されてもよく、血管の部位毎の圧力を予め推定又は取得できる場合には、それらの部位毎の圧力に設定されてもよい。
<Processing procedure>
FIG. 16 is a schematic flowchart showing the flow of processing for performing calculations according to the analysis described above. Each process will be briefly described below.
Step 105: The calculation unit sets initial values of blood velocity (flow velocity) {u} and pressure P. For example, the initial value of the velocity {u} may be set to the maximum value in one pulsation (pulsation) of the “predetermined flow rate” determined as described above. May be set to an average value. The initial value of the pressure P may be set to a predetermined constant value (for example, “0” or “a value other than 0” according to the blood pressure of the patient), and the pressure for each part of the blood vessel can be estimated or acquired in advance. In some cases, the pressure may be set for each part.

ステップ110:演算部は、時刻tをΔtだけ進める。
ステップ115:演算部は、上記(4−1)式〜(4−5)式に従って拡散項の係数を演算する。
ステップ120:演算部は、上記(5−1)式〜(5−28)式に従って対流項の係数を演算する。
ステップ125:演算部は、上記(6−1)式〜(6−6)式に従って圧力項の係数を演算する。
ステップ130:演算部は、時刻n+1(即ち、t+Δt)における血液の速度(流速)を上記(7−1)式〜(7−9)式に従って演算する。
Step 110: The computing unit advances time t by Δt.
Step 115: The calculation unit calculates the coefficient of the diffusion term according to the above equations (4-1) to (4-5).
Step 120: The computing unit computes the coefficient of the convection term according to the above equations (5-1) to (5-28).
Step 125: The calculation unit calculates the coefficient of the pressure term according to the above formulas (6-1) to (6-6).
Step 130: The computing unit computes the blood velocity (flow velocity) at time n + 1 (ie, t + Δt) according to the above equations (7-1) to (7-9).

演算部は、ステップ135乃至ステップ150の処理により、図13を参照しながら詳述したSIMPLE法に従って所定の演算を行う。ここでは、図13の各処理をより簡素化して記載した。
ステップ135:演算部は、上記(7−10)式〜(7−18)式に従って連続の式の係数行列及び右辺ベクトルを作成する(特に、(7−17)式及び(7−18)式を参照。)。
ステップ140:演算部は、上記(7−16)式の連立一次方程式を解いて、圧力補正値を求める。
ステップ145:演算部は、上記(7−19)式〜(7−21)式に従って速度及び圧力を補正する。
ステップ150:演算部は、収束しているか否かを判定する(図13のS2〜S4を参照。)。演算部は、収束していなければステップ135に戻る。演算部は、収束している場合、ステップ155に進む。
The calculation unit performs a predetermined calculation according to the SIMPLE method described in detail with reference to FIG. Here, each process of FIG. 13 is described more simply.
Step 135: The computing unit creates a coefficient matrix and a right-hand side vector of continuous expressions according to the above expressions (7-10) to (7-18) (particularly, expressions (7-17) and (7-18) See).
Step 140: The calculation unit finds a pressure correction value by solving the simultaneous linear equations of the above expression (7-16).
Step 145: The calculation unit corrects the speed and pressure according to the above equations (7-19) to (7-21).
Step 150: The calculation unit determines whether or not the convergence has occurred (see S2 to S4 in FIG. 13). If the calculation unit has not converged, the calculation unit returns to Step 135. If the calculation unit has converged, the calculation unit proceeds to step 155.

ステップ155:演算部は、演算の終了時刻が到来したか否かを判定する。終了時刻は任意の時刻に設定される。演算部は、終了時刻が到来していなければ、ステップ110に戻る。演算部は、終了時刻が到来していれば、ステップ195に進んで演算を終了する。これらの演算の結果、血液流入口10aにおける「血液の流速vin及び圧力Pin」が演算され、流入エネルギーEが演算される。   Step 155: The calculation unit determines whether or not the calculation end time has come. The end time is set to an arbitrary time. If the end time has not come, the calculation unit returns to Step 110. If the end time has arrived, the calculation unit proceeds to step 195 and ends the calculation. As a result of these calculations, the “blood flow rate vin and pressure Pin” at the blood inlet 10a is calculated, and the inflow energy E is calculated.

以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、動脈瘤に流入するエネルギーに基づいて動脈瘤が成長するか否かを精度よく判定することができる。。   As described above, according to the embodiment of the present invention, it can be accurately determined whether or not the aneurysm grows based on the energy flowing into the aneurysm. .

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、流入エネルギーを求めるために必要な「血液の流速(ベクトル)vin及び圧力Pin」は上記実施形態とは別の解析手法を用いて計算されてもよい。   The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, “blood flow velocity (vector) vin and pressure Pin” necessary for obtaining the inflow energy may be calculated using an analysis method different from that of the above embodiment.

10…動脈瘤
10a…血液流入口(境界平面)
11−15…血管
10 ... aneurysm 10a ... blood inlet (boundary plane)
11-15 ... Blood vessels

Claims (4)

動脈瘤が成長するか否かを判定するための動脈瘤成長判定方法であって、
前記動脈瘤に流入する血液の流速及び圧力に基づいて同動脈瘤に流入する同血液の流入エネルギーEを求め、
前記流入エネルギーEに基づいて前記動脈瘤が成長するか否かを判定する、
方法。
An aneurysm growth determination method for determining whether an aneurysm grows,
Obtaining the inflow energy E of the blood flowing into the aneurysm based on the flow velocity and pressure of the blood flowing into the aneurysm,
Determining whether the aneurysm grows based on the inflow energy E;
Method.
請求項1に記載の動脈瘤成長判定方法において、
前記流入エネルギーEを求めるステップは、
前記流入エネルギーEを、前記動脈瘤に流入する血液の流速に基づいて得られる体積流量Qinと、前記動脈瘤に流入する血液の圧力Pinと、の積Pin・Qinである圧力エネルギーに基づいて求めるステップである、
方法。
The aneurysm growth determination method according to claim 1,
The step of obtaining the inflow energy E includes:
The inflow energy E is obtained based on the pressure energy that is the product Pin · Qin of the volume flow rate Qin obtained based on the flow velocity of blood flowing into the aneurysm and the pressure Pin of blood flowing into the aneurysm. Is a step,
Method.
請求項2に記載の動脈瘤成長判定方法において、
前記流入エネルギーEを求めるステップは、
前記動脈瘤に流入する血液の密度をρ、
前記動脈瘤に接続している血管と同動脈瘤との境界平面に直交する方向における前記動脈瘤に流入する血液の流速の大きさを|v’in|、
とするとき、
前記流入エネルギーEを、
E=(1/2)・ρ・Qin・|v’in|+Pin・Qin
なる式に基づいて求めるステップである、
方法。
The aneurysm growth determination method according to claim 2,
The step of obtaining the inflow energy E includes:
Ρ, the density of blood flowing into the aneurysm
| V′in |, the magnitude of the flow velocity of blood flowing into the aneurysm in the direction perpendicular to the boundary plane between the blood vessel connected to the aneurysm and the aneurysm
And when
The inflow energy E is
E = (1/2) · ρ · Qin · | v'in | 2 + Pin · Qin
Is a step to obtain based on
Method.
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の動脈瘤成長判定方法に使用される装置であって、
前記動脈瘤及び同動脈瘤に接続した血管を非圧縮性流体としての血液が流れる構造体として扱い、前記血管の内部を流れる前記血液に有限体積法を適用することにより前記血液の流速及び圧力を流体解析により取得し、前記取得した流速及び圧力を用いて前記流入エネルギーEを求める装置。
An apparatus used for the aneurysm growth determination method according to any one of claims 1 to 3,
Treating the aneurysm and the blood vessel connected to the aneurysm as a structure through which blood as an incompressible fluid flows, and applying the finite volume method to the blood flowing inside the blood vessel, the flow velocity and pressure of the blood are reduced. An apparatus that obtains the inflow energy E using a fluid analysis and uses the obtained flow velocity and pressure.
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