Validation of Computational Fluid Dynamics and Particle Imaging Velocity Measurements in Ideal Stenotic Phantom Model and the Relationship between Wall Shear Stress and Plaque Progression

Abstract

Atherosclerosis, a chronic inflammatory disease affecting large and medium-sized arteries, remains a leading cause of morbidity and mortality in industrialized nations. Despite its systemic nature, atherosclerosis exhibits a multifocal and heterogeneous distribution, influenced significantly by local hemodynamic forces such as wall shear stress (WSS). This study aims to validate a computational fluid dynamics (CFD) model using particle image velocimetry (PIV) and employ serial coronary computed tomography angiography (CCTA) to investigate the relationship between WSS and plaque progression. An ideal stenotic bifurcation phantom model was designed, featuring stenoses in the left main (LM) and left anterior descending (LAD) arteries. PIV experiments and CFD simulations were performed to compare velocity fields, revealing a high degree of agreement between the two methodologies for both laminar and turbulent flow conditions. Statistical analyses confirmed the robustness of the CFD model, with correlation coefficients exceeding 0.95 and low root mean square error (RMSE) values. In the clinical component, we analyzed serial CCTA data from 11 patients, encompassing 12 coronary vessels and 7,592 sectors, to explore the correlation between WSS and changes in arterial wall thickness. The results demonstrated a statistically significant negative correlation between WSS and plaque progression, supporting the hypothesis that mechanical forces influence arterial remodeling. Our findings validate the accuracy of CFD models for detailed hemodynamic analysis and highlight the potential of WSS as a predictive marker for plaque progression. This study underscores the importance of integrating CFD with clinical imaging techniques to enhance our understanding of vascular pathologies and improve patient outcomes. Further research with larger patient cohorts and advanced imaging integration is recommended to refine these models and confirm their clinical applicability

죽상동맥경화증은 주로 대동맥 및 중간 크기의 동맥에 영향을 미치는 만성 염증성 질환으로, 산업화된 국가에서 주요한 이환율 및 사망 원인으로 꼽힙니다. 죽상동맥경화증은 전신 질환임에도 불구하고 그 분포에서는 이질적인 분포를 보이며, 이는 국소적인 혈역학적 힘, 특히 벽 전단응력(Wall shear stress, WSS)의 영향을 크게 받습니다. 본 연구는 입자 영상 속도계(PIV)를 사용하여 전산 유체 역학(CFD) 모델을 검증하고, 일련의 관상동맥 컴퓨터 단층촬영(CCTA)을 활용하여 WSS와 플라크 진행 사이의 관계를 조사하는 것을 목표로 합니다. 본 연구에서는 좌주간지(LM)와 좌전하행지(LAD) 동맥에 협착이 있는 이상적 협착 분지 팬텀 모델을 설계하였습니다. PIV 실험과 CFD 시뮬레이션을 통해 속도를 비교한 결과, 두 방법론 간의 높은 일치도가 확인되었으며, 이는 층류 및 난류 유동 조건 모두에서 유효함을 확인하였습니다. 또한 통계 분석을 통해 CFD 모델의 적합성을 확인하였으며, 상관 계수가 0.95를 초과하고 낮은 평균 제곱근 오차(RMSE) 값을 보여 PIV실험과 CFD는 높은 유사성을 보임을 확인하였습니다. 임상 부분에서는 11명의 환자, 12개의 관상동맥 혈관 및 7,592개의 섹터에서 일련의 CCTA 데이터를 분석하여 WSS와 동맥 벽 두께 변화 사이의 상관 관계를 조사했습니다. 결과는 WSS와 플라크 진행 사이에 통계적으로 유의미한 음의 상관 관계가 있음을 보여주었으며, 이는 WSS가 동맥 재형성에 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미합니다. 본 연구는 혈역학적 분석을 위한 CFD 모델의 정확성을 PIV와 비교하여 증명하였고, WSS가 플라크 진행의 예측 지표로서 잠재력이 있음을 확인하였습니다. 본 연구는 혈관내 동맥경화의 진행에 WSS가 국소적인 인자로 중요한 역할을 하며 CT를 이용한 WSS의 측정이 유효한 임상적 의미를 지닐 수 있음을 시사합니다.