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。

这项研究旨在创建一种高精度的流体分析方法，该方法可以应用于单个心脏瓣膜，例如生物学衍生的心脏瓣膜，人造瓣膜和机械瓣膜。今年，使用T-Spline技术的局部细分应用于等级分析中实际人造阀的流体分析。此外，位于心房和心室之间的室内瓣膜相对柔韧性，并具有大型小叶，并由称为Chorcus肌腱的弦状组织支撑，该组织从心脏壁延伸，打开并关闭。当使用均衡学分析重现心房瓣膜的操作时，B型平上表达的形状与晶格点的位置不同，这使得很难使用传单部分的晶格点表达一部分Chorcus肌腱部分。这一点得到了解决。在人造瓣膜的流体分析研究中，根据牛心包产生的形状进行了流体分析，该研究实际使用了，并通过流体结构偶联分析获得的作用。为了在传单彼此接触时正确捕获流量变化，并使用边界拟合晶格和使用ST-SI-TC-IGA方法进行分析。该分析晶格表示为2阶B型序列，在这项研究中，传单的边界层部分使用T-Spline的基础函数更改为常规函数的八倍。有了局部细分，我们将流场与控制点总数的常规分辨率分析进行了比较，并确认细分的效果出现在开放时的流浪场附近的流场中。在研究室内瓣膜和合唱肌腱的联系中，我们已经在等de剂量计分析中实现了二维结构和一维结构的联系。使用T-Spline技术，使用二维结构的基础函数表达了1维结构的基础函数。此外，可以在二维结构和一维结构之间表达更高阶的连续性。该技术表明，可以使用工业应用，例如航天器降落伞和心脏瓣膜。