力学場の情報のフィードバックを考慮した消化管の機能的な運動機構の解明

考虑机械场信息反馈阐明胃肠道的功能运动机制

• 批准号: 22K14145
• 负责人: 竹田 宏典
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14145/
• 关键词: バイオメカニクス; 消化器; 筋収縮; 食物輸送; フィードバック機構; アイソジオメトリック解析; 境界要素法; 流体ー構造連成解析; 連続体力学; 流体構造連成問題; 筋組織

消化管は，能動的に力を発揮する筋組織と，各組織を制御する神経叢，そして，食物と接触して力学的な場の情報を感知することが示唆されている粘膜組織から成る複合組織である．本研究では，消化管組織に生じた力学場の情報が，筋組織の振る舞いへとフィードバックされることに着目し，食物の輸送や撹拌といった消化管の機能的な運動において，このフィードバック機構が果たす役割を明らかにすることを目的とした．筋組織の収縮と弛緩にともなう消化管の運動と，組織に生じる力学場を解析するため，数理モデリングと数値シミュレーションを通じて，力学場の情報を利用して運動する機能的な生体システム構築の根本原理を解明することに挑戦する．2022年度は，消化管運動の数値シミュレーションを行うための準備として，筋組織の収縮と弛緩にともなう消化管運動と，消化管内部に存在する食物の流れの計算モデルを構築した．消化管組織を薄肉円筒の超弾性体，食物をNewton流体とみなし，Kirchhoff―Love shell理論による消化管組織の変形の記述と，境界積分法による流れの記述，そして，塑性力学理論に基づいた筋組織の収縮と弛緩のモデル化を行った．さらに，これらの数理モデルを連成させた流体―構造連成解析を行うために，アイソジオメトリック解析手法を構築した．また，構築した数値シミュレーション手法を用いて，筋組織の収縮と弛緩の時空間的な制御が，消化管運動と，食物の輸送に及ぼす影響を明らかにするための基礎的な検討を行った．

消化道是一个由主动施加力量的肌肉组织、控制各个组织的神经丛以及在与食物接触时感知机械场信息的粘膜组织组成的组织。在本研究中，我们关注的是胃肠道组织中产生的机械场的信息反馈到肌肉组织的行为，并且这种反馈机制在胃肠道的运输和搅拌等功能运动中发挥作用目的是阐明食物的作用。为了分析胃肠道由于肌肉组织的收缩和舒张而产生的运动以及组织中产生的机械场，我们将利用数学建模和数值模拟来研究构建利用胃肠道运动的功能性生物系统的基本原理。我们将接受来自机械领域的信息的挑战来阐明这一点。 2022年，为了准备胃肠运动的数值模拟，我们建立了与肌肉组织收缩和舒张以及胃肠道内食物流动相关的胃肠运动计算模型。将胃肠组织视为薄壁圆柱体超弹性体，将食物视为牛顿流体，采用Kirchhoff-Love壳理论描述胃肠组织的变形，采用边界积分法描述胃肠道组织的流动，采用基于肌肉流的肌肉流描述胃肠道组织的变形。我们根据塑性力学理论模拟了组织收缩和松弛。此外，我们开发了一种等几何分析方法，通过耦合这些数学模型来进行流固耦合分析。此外，利用开发的数值模拟方法，我们进行了一项基础研究，以阐明肌肉组织收缩和松弛的时空控制对胃肠道运动和食物运输的影响。