Modelling strategies for non-invasive assessment of coronary fractional flow reserve

Introduction: Coronary artery disease (CAD) is the leading cause of death globally. Invasive fractional flow reserve (iFFR) measurement is the gold standard technique for CAD severity assessment. Advancement in medical imaging and computational fluid dynamics (CFD) technique have led to the development of a non-invasive diagnostic tool: computed tomography (CT)-derived FFR (FFRCT). This work aimed to test CFD techniques for coronary flow simulation and explore simple models for accurate FFRCT computation. Methods: Three incrementally more complex scenarios were simulated, for each of which mild to severe stenosis were considered: i) Idealized stenosis geometries coupled to boundary conditions (BCs) based on average population data; ii) Patient-specific geometries reconstructed from CT, coupled with both average population and iii) patient-specific BCs. The feasibility of using a less expensive steady-state rather than a transient simulation was investigated. The developed model was validated by comparing the computed FFRCT against the iFFR clinically measured. In all simulated models a pressure waveform was set as BC at the inlet and a 0-D Windkessel model was coupled at the outlets. Results: As the degree of stenosis increased, steady simulations in the idealized geometries scenario yielded significantly lower FFR results compared to transient ones (maximum difference was 52.6%). Additionally, an increase in the obstruction level resulted in a corresponding rise in the difference between the maximum vorticity observed in the two simulation approaches. Contrary, in the patient-specific geometry scenarios, the maximum difference between the two obtained FFRCT resulted to be less than 1% in all patients. No significant difference in vorticity was found. A good agreement was established between FFRCT and iFFR for patients with a CAD in the right branch (Ԑr ≤ 6.5%), while a larger difference was observed for patients with a stenosis in the left branch (10-20%). Conclusions: Steady-state simulations provides FFRCT estimation comparable to transients ones, with the same BCs. The proposed method provides FFRCT in good agreement with iFFR for patients presenting a stenosis in the right branch, while more elaborated models may be necessary for patients with CAD in the left branch.

Introduzione: La coronaropatia (CAD) è la principale causa di morte a livello globale. La misura invasiva della riserva frazionale di flusso (iFFR) è il gold standard per la valutazione della gravità della CAD. I progressi dell'imaging medico e della fluidodinamica computazionale (CFD) hanno portato allo sviluppo di uno strumento diagnostico non invasivo: FFR derivata dalla tomografia computerizzata (TC) (FFRCT). Questo lavoro mira a testare tecniche CFD per la simulazione del flusso coronarico e ad esplorare modelli semplici per una stima accurata dell'FFRCT. Metodi: Sono stati simulati tre scenari progressivamente più complessi, ciascuno considerando stenosi da lievi a gravi: i) geometrie idealizzate con condizioni al contorno (BC) basate su dati medi della popolazione; ii) geometrie paziente-specifiche ricostruite dalla TC, accoppiate a BC sia medie della popolazione che iii) paziente-specifiche. È stata valutata la possibilità di utilizzare simulazioni stazionarie, meno costose, anziché transitorie. Il modello sviluppato è stato convalidato confrontando la FFRCT calcolata, con la iFFR. In tutti i modelli simulati sono stati imposti una forma d'onda di pressione come BC all'ingresso e un modello Windkessel 0-D alle uscite. Risulati: Considerando le geometrie idealizzate, all'aumentare del grado di stenosi, la FFR è significativamente inferiore nelle simulazioni stazionarie rispetto a quelle transitorie (differenza massima del 52.6%). All'aumentare del livello di ostruzione, aumenta anche la differenza tra la massima vorticità osservata con i due metodi di simulazione. Al contrario, nella geometria paziente-specifica, la differenza massima tra le due FFRCT ottenute risulta inferiore all'1% in tutti i pazienti. Non è stata riscontrata alcuna differenza significativa nella vorticità. È stato osservato un buon accordo tra FFRCT e iFFR per i pazienti con CAD nel ramo destro ( Ԑr ≤ 6.5%), mentre è stata osservata una differenza maggiore per i pazienti con stenosi nel ramo sinistro (10-20%). Conclusioni: Le simulazioni allo stato stazionario forniscono stime di FFRCT paragonabili a quelle in transitorio, considerando le stesse BC. Il metodo proposto fornisce FFRCT in buon accordo con l'iFFR per i pazienti che presentano una stenosi nel ramo destro, mentre per i pazienti con CAD nel ramo sinistro potrebbero essere necessari modelli più elaborati.