選択的脳冷却法のための熱輸送モデリングと数値解析に関する研究

选择性脑冷却方法的热传输建模和数值分析研究

基本信息

批准号：
14655069
负责人：
小林敏雄
金额：
$ 1.79万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

低温体療法は脳の一部に血液が流れなくなる虚血性血管障害型の脳卒中に有効であり、1980年代より試みられている。虚血性血管障害が起きると欠血により脳内温度が40度近くに上昇し、このため神経障害が起こり、最悪の場合には死に至る。低温体療法を用いて体を冷やすことで脳の温度を2度から3度下げることにより、発病後の回復経過が良好である症例が報告されている。しかし、現在行われている低温療法は全身を長時間にわたって冷やすため、患者の体力負担が増大し、かえって危険になる場合が起こり得る。そこで、頭と頸部だけを冷やすことにより効果的かつ患者の負担が軽減できるような選択的脳冷却療法が模索されている。本研究では脳内温度の調節のメカニズムを把握すると同時に効率的な選択的脳冷却療法の指針を構築するため、脳内の熱輸送のモデリングおよび数値解析を行った。以上より、本研究では以下の3つのテーマに重点を置いて研究を行った。(1)脳内熱輸送のモデリング(2)数値解析システムの開発(3)医用画像および臨床データとの比較・検証(1)では脳血管網において熱交換を行っていると考えられている、内頸動脈の海綿静脈洞を模擬した同軸円管における対向流型熱交換について、直円管モデルと屈曲管モデルでの数値解析を行った。(2)数値解析にはFIDAPを用い、動脈・静脈の入口に50mmの導入部を設けて安定化を図っている。それぞれの密度・比熱は血液および血管壁で等しく、伝熱方程式に熱拡散係数を与えることで温度の計算を行う。(3)実際の脳冷却を行う際には0.2℃から0.3℃の温度低下が必要とされ、今回の解析でその条件を満たすことが確認された。屈曲管は2次流れの影響により直円管よりも伝熱量が増加し、また拍動流入を与えることで温度境界層が壁面近傍だけでなくなり、より動脈の冷却が促進されることが分かった。

冷冻疗法对缺血性血管病（一种血液停止流向大脑部分的中风）有效，自 20 世纪 80 年代以来一直在尝试。当发生缺血性血管疾病时，大脑中的温度会因缺乏血液而升高到近40度，从而导致神经损伤，最严重的情况下会导致死亡。据报道，通过冷冻疗法使身体冷却，使大脑温度降低2至3摄氏度，发病后的恢复过程良好。然而，目前使用的冷冻疗法需要长时间冷却全身，这增加了患者的身体负担，甚至可能产生危险。因此，人们正在寻求一种有效的选择性脑冷却疗法，通过仅冷却头部和颈部来减轻患者的负担。在本研究中，我们对大脑中的热传输进行了建模和数值分析，以了解大脑中温度的调节机制，同时为有效的选择性大脑冷却治疗制定指南。基于上述背景，本研究主要围绕以下三个主题展开。（1）脑内热传输的建模（2）数值分析系统的开发（3）与医学图像和临床数据的比较和验证（1）认为热交换发生在脑血管网络中的逆流热交换。采用直角圆管模型和弯管模型对模拟颈内动脉海绵窦的同轴圆管中的内应力进行数值分析。 (2)采用FIDAP进行数值分析，在动、静脉入口处安装50mm引入段以稳定。每个血液和血管壁的密度和比热相等，通过在传热方程中加上热扩散系数来计算温度。 (3)在进行实际脑冷却时，需要降低0.2℃至0.3℃的温度，本次分析证实满足这一条件。研究发现，由于二次流的影响，弯管中的传热比直管中增加更多，并且通过提供脉动流入，仅消除了壁表面附近的温度边界层，进一步促进了动脉的冷却。