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.

为了开发可在很长一段时间内可以维持高气体交换能力的新的呼吸道辅助技术，这项研究的重点是具有极高气体兑换效率的鸟类的呼吸机制，并揭示了鸟类肺中的流量和气体交换机制，并检查了它们在呼吸辅助技术中的应用可能性。在今年，我们继续使用由CT图像构建的实际人类肺气道模型分析气流往复流的数值分析，并对气道内的气体混合和材料传输特性进行了模拟。提取的气道站点也是在气道网络中创建的，该气道网络由气道（直径约14毫米）组成，从气管（直径约为14毫米）到左和右支气管，并于去年创建了薄气道网络（直径约2毫米）的新型号。使用的气道模型用于重现由于呼吸引起的气道网络的扩展和收缩。除了连续方程和动量保护方程外，通过求解材料颗粒的运动方程和Lagrange中描述的材料扩散方程进行了模拟。仿真结果表明，在肺气道中，流的特征在呼气和灵感之间差异很大，即使在相互流动中，大量流量的稳态成分在横截面上局部出现，并且这种稳态成分有助于呼吸气的运输，例如二氧化碳气体和氧气碳含量。比较了人肺气道中局部发生的稳态成分增强材料转运的效果，并通过从先前的鸟肺模型实验中获得的单向流量增强材料转运进行了检查。

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）。