国際チャレンジによる解析者間ばらつきの定量

「文献値と自分の結果が合わない」という相談に、最も直接的な根拠を与える研究があります。設計は単純で、同じデータを多数のグループに配り、返ってきた結果を比べます。

形状を配布した2013年のチャレンジ

2013年の CFD Rupture Challenge¹では、15か国26グループが同一の2症例を盲検で解析しました。形状データは配られ、解析条件は各グループが自由に決めます。

破裂した側がどちらかという判定は、21/26 が正解しました。ここは揃っています。

ところが、破裂した部位の予測は6箇所に散り、一致しませんでした。

ばらつきの主因としての境界条件

散らばりの原因は、はっきり特定できます。参加グループが自由に選んだ流入流量は 0.9〜11.36 mL/s と13倍の開きがあり、実測値（1.76 / 2.5 mL/s）から大きく外れたものが含まれていました。入口流速 10 m/s、Reynolds 数 1 という、明らかに非現実的な設定も提出されています。

つまり、ばらつきの主因はソルバーの差ではなく境界条件の差です。この解釈は、条件を指定した Phase II でほぼ同一の流れ場が得られたことで裏づけられています。

境界条件——入口・出口・壁に何を与えるか——は、数値解析で人が決めなければならない部分です。形状は画像から来ますが、流量は来ません。ここが自由なままだと、同じ形状から違う流れが出ます。

画像から配布した2015年のチャレンジ

現実の受託解析は、もっと手前から始まります。形状ではなく画像が渡されるからです。

2015年の International Aneurysm CFD Challenge²は、26チームに DICOM 画像だけを配りました。形状抽出から任せる設定です。

結果、瘤内平均の壁面せん断応力のばらつきは変動係数48%、症例によっては60%に達しました。1つの症例の中でも、同じチームが自動抽出と手動抽出を比べると値が45%違います。設定流量そのものも変動係数23%で散り、血液粘度は 3.5 と 4.0 cPoise に二分され、それだけで13%の差を生んでいました。

正規化と条件統一によるばらつきの低減

この研究の価値は、ばらつきを示したことではなく、減らし方を示したことにあります。

母血管の壁面せん断応力で正規化すると、変動係数は48%から18%へ下がります。最大 WSS は 48% から 22% へ、低ずり面積は 63% から 30% へ下がります。いずれも2〜3分の1です。

下の図で、縮み方の大きさを見てください。

同じ研究が挙げている他の推奨も具体的です。血液物性を 3.7 cPoise・1.06 g/cm³ に統一します。形状は内頸動脈まで含めて抽出します（中大脳動脈で切ると速度分布が発達しません）。設定流量を文献範囲（1.39〜3.47 mL/s、中央値約 2.43）と照合します。

二つのチャレンジの設計と結果を並べると、どこで差がつくのかが見えます。

ばらつきは避けられませんが、減らし方は分かっています。 これが 3-4第3章で触れた正規化の根拠です。6-2次の記事では、CFD と MRI のあいだの食い違いに進みます。