鳥の呼吸メカニズムを模倣した新しい呼吸介助技術の開発研究

模仿鸟类呼吸机制研发新型呼吸辅助技术

• 批准号: 15760123
• 负责人: 田中 学
• 金额: $ 2.37万
• 依托单位: Chiba University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15760123/
• 关键词: 鳥の肺; 呼吸; 生物流体力学; 振動流; 分岐管; 流量分配

高いガス交換能を長期間に渡って維持することができる新しい呼吸介助技術の開発にむけて,ガス交換効率の極めて高い鳥の呼吸メカニズムに着目したのが本研究であり,鳥の肺内における流れとガス交換メカニズムを明らかにするとともに,その呼吸介助技術への応用の可能性について検討した.本年度は,CT画像から構築した実際のヒト肺気道形状モデルを用いた気道内空気往復流れの数値解析を継続し,新たに気道内のガス混合特性並びに物質輸送特性に関するシミュレーションを行った.抽出した気道部位は,昨年度に作成した気管(径約14mm)から左右気管支を経て最大7世代までの気道(径約2mm)からなる気道網に加え,細気道網(径約100〜500μm)のモデルを新たに作成して用いた.細気道モデルでは,呼吸による気道網の拡張・収縮までを再現した.シミュレーションには,連続の式と運動量保存式に加え,ラグランジュ的に記述された物質粒子の運動方程式,また物質拡散方程式を解くことにより検討を行った.シミュレーション結果より,肺気道内では呼気と吸気で流れの特徴が大きく異なるために往復流であっても一周期毎に実質的な流れの定常成分が断面内で局所的に発生すること,またこの定常成分が呼吸性ガスである炭酸ガスや酸素等の物質輸送に貢献することなどを明らかにした.ヒト肺気道内に局所的に発生する定常成分による物質輸送の増強効果について,これまでの鳥肺のモデル実験により得られた一方向流による物質輸送の増強効果との比較・検討を行った.

这项研究主要针对具有极高气体交换效率的鸟类的呼吸机制，旨在开发一种除了澄清流量和气体交换之外还能长期保持高气体交换能力的新型呼吸辅助技术。今年，我们研究了根据 CT 图像构建的实际人体肺气道形状。我们继续使用该模型对气道中的空气往复流动进行数值分析，除了由多达七代气道组成的气道网络之外，还对气道中的气体混合特性和质量传输特性进行了新的模拟。通过左右支气管，我们创建了一个新的小气道网络模型（直径约2毫米）（直径约100至500微米）。小气道模型再现了呼吸引起的气道网络的扩张和收缩。除了连续性方程和动量守恒方程外，模拟还包括用拉格朗日项描述的物质颗粒的运动方程，以及物质的方程该研究是通过求解方程来进行的。模拟结果表明，在肺气道中，呼气和吸气之间的流动特性存在显着差异，因此即使存在往复流动，也只需要一个周期。我们澄清了，在每次冲程的横截面内局部发生大量流动的稳定分量，并且该稳定分量有助于诸如二氧化碳和氧气等可呼吸气体的物质的输送，从而增强质量输送的效果。将气道中局部产生的静止成分与之前的鸟肺模型实验中获得的单向流增强质量运输的效果进行比较。

项目成果

肺気道内流れの数値解析

肺气道流量的数值分析

• 发表时间: 2005
• 期刊: 日本機械学会/第17回バイオエンジニアリング講演会講演論文集 No.04-48
• 作者: 稲垣原理;田中 学;菱田 誠;羽石秀昭;胡 霄
• 通讯作者: 胡 霄

赤澤大輔, 高橋大輔, 田中 学, 菱田 誠: "直角分岐をもつループ状流路内における振動流の研究"第40回日本伝熱シンポジウム講演論文集. Vol.II. 541-542 (2003)

Daisuke Akazawa、Daisuke Takahashi、Manabu Tanaka、Makoto Hishida：“直角分支环形通道中的振荡流研究”第 40 届日本传热研讨会论文集第 541-542 卷（2003 年）。