高度個別医療に向けた心臓弁まわりの流体解析手法の構築

开发心脏瓣膜周围的流体分析方法，以实现先进的个性化医疗护理

基本信息

批准号：
22K17903
负责人：
寺原拓哉
金额：
$ 2.91万
依托单位：
Waseda 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 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では生体由来の心臓弁、人工弁、機械弁など個別の心臓弁に適用可能な高精度流体解析手法の構築を目指す研究である。本年度は、アイソジオメトリック解析においてT-splineの技術を用いた局所的な細分化を実際の人工弁の流体解析に適用した。さらに、心房と心室の間に位置する房室弁は、比較的柔軟で大きな弁尖を有しており、心臓壁から伸びる腱索とよばれる紐状の組織によって支えられ開閉をしている。アイソジオメトリック解析によって房室弁の動作を再現するにあたって、B-splineで表現される形状と格子点の位置が異なることから、弁尖部分の格子点をそのまま用いて腱索部分の一部を表現することが難しいという問題がある。この点を解決した。人工弁の流体解析研究では実際に使用されているウシの心膜により作られた形状と、流体構造連成解析で得られた動作を基に流体解析を行った。弁尖同士が接触する瞬間、また離れる瞬間の流れの変化を正しく捉えるため、境界適合格子を用い、ST-SI-TC-IGA法を用いて解析を行った。この解析格子は2次のB-splineで表現されており、本研究ではT-splineの基底関数を用いて弁尖の境界層部分を従来の8倍の解像度に変更した。局所的な細分化が可能となったことで、全体の制御点数に対して、従来の解像度による解析と流れ場を比較し、細分化による効果が開口時の弁尖近傍の流れ場に現れることを確認した。房室弁と腱索の接続研究ではアイソジオメトリック解析における2次元構造物と1次元構造物を接続することを実現した。T-splineの技術を応用し、2次元構造物の基底関数を用いて1次元構造物の基底関数を表現した。さらには、2次元構造物と1次元構造物間に高次の連続性を持つ表現も可能とした。本手法は心臓弁のみならず宇宙船用パラシュートのような工業応用が可能であることを示した。

本研究旨在构建一种高精度流体分析方法，可应用于生物心脏瓣膜、人工瓣膜、机械瓣膜等个体心脏瓣膜。今年，我们将等几何分析中的T样条技术的局部细分应用到实际人工瓣膜的流体分析中。此外，位于心房和心室之间的房室瓣具有相对柔性且大的小叶，并且在由从心壁延伸的称为腱索的绳状组织支撑的同时打开和关闭。当使用等几何分析再现房室瓣的运动时，由于B样条所表达的形状和网格点的位置不同，因此直接使用瓣叶的网格点，并且腱索的一部分腱鞘炎的问题是难以表达。这个问题已经解决了。在人工瓣膜的流体分析研究中，根据实际使用的牛心包制作的形状以及通过流体结构相互作用分析获得的运动进行流体分析。为了准确捕捉瓣叶相互接触瞬间和分离瞬间的流量变化，我们使用边界匹配网格并使用ST-SI-TC-IGA方法进行分析。该解析网格表示为二阶B样条，在本研究中，我们使用T样条基函数将瓣膜小叶边界层的分辨率更改为传统分辨率的八倍。既然可以进行局部细分，我们将流场与使用常规分辨率的控制点总数分析进行比较，发现细分的效果出现在瓣膜小叶附近的流场中，得到了证实。在房室瓣与腱索连接的研究中，我们成功地通过等几何分析连接了二维和一维结构。通过应用T样条技术，我们使用二维结构的基函数来表达一维结构的基函数。此外，还可以表达二维结构和一维结构之间的高阶连续性。该方法已被证明不仅适用于心脏瓣膜，还适用于航天器降落伞等工业应用。