数値解析と超音波計測を融合した血流構造の解析

数值分析与超声测量相结合的血流结构分析

基本信息

批准号：
04J03421
负责人：
船本健一
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、血流の超音波計測と数値シミュレーションを一体化した超音波計測融合シミュレーション技術を確立し、血管内の血流場および血行力学の正確かつ詳細な情報を医療現場に提供することを目的としている。本手法では、計算領域内に定義したフィードバック領域内の複数のフィードバック点において、超音波により計測可能な速度情報(ドプラ速度)を基に、実際の血流場に対する速度場の計算結果の誤差を推定し、それに基づく信号をフィードバックして計算を行う。このフィードバックの適用により、計算結果を実際の流れ場に収束させる。本年度は、これまでの知見に基づき、実際の血流場の状態である3次元非定常流の再現に対する本手法の有用性を検証するため、動脈瘤を有する血管内の実際の血流を模擬した基準解の再現に関する数値実験を行った。実際の超音波計測には時間分解能に制限があり、計算時間刻みに対して粗い時間間隔の計測しか行えない可能性がある。そこで、計測の時間分解能が不十分な場合におけるフィードバック方法について検討した。計測データが得られた時刻のみにフィードバックを行う間欠的な方法により、各タイムステップにおいてフィードバックを適用する方法と同じ計算精度が実現でき、有用であることが明らかとなった。ただし、計測の時間間隔を大きくするのに伴い計算が不安定になり易く、ゲインが比較的小さい場合においても解が振動したり計算が発散したりする現象が見られた。動脈瘤内の速度場の誤差が最小となる条件において本手法の計算精度を評価すると、プローブを動脈瘤と同じ高さに1つ設定した場合に、速度場および圧力場の誤差は29%、58%にまでそれぞれ減少し、プローブを2つ用いると計算精度は一層向上し、誤差は8%、17%にまで減少した。壁せん断応力分布もフィードバックの適用により基準解のものに近づき、例えば平均壁せん断応力の最大値は誤差1%以下の精度で再現できた。

本研究旨在建立集超声测量血流与数值模拟于一体的超声测量融合仿真技术，为医疗领域提供准确、详细的血管内血流场和血流动力学信息。该方法利用可在计算区域内定义的反馈区域内的多个反馈点处通过超声波测量的速度信息（多普勒速度）来计算速度场计算结果相对于实际血流场的误差，并进行估计。基于估计的信号被反馈以执行计算。该反馈的应用使得计算结果能够收敛到实际流场。今年，我们将模拟有动脉瘤的血管中的实际血流，以验证该方法基于所获得的知识再现三维非定常流动（即实际血流场的状态）的有用性到目前为止，已经进行了数值实验来重现标准溶液。实际的超声波测量具有有限的时间分辨率，并且可能只能以相对于计算时间步长的粗略时间间隔执行测量。因此，我们研究了测量时间分辨率不足时的反馈方法。仅在获得测量数据时提供反馈的间歇方法已被证明是有用的，因为它可以实现与在每个时间步应用反馈的方法相同的计算精度。然而，随着测量之间的时间间隔增加，计算往往变得不稳定，甚至当增益相对较小时，也会观察到解的振荡和计算发散等现象。在动脉瘤内部速度场误差最小的条件下评价该方法的计算精度，当一根探头设置在与动脉瘤相同高度时，速度场和压力场的误差为29%，使用两个探头探针进一步提高了计算精度，误差分别降低至8%和17%。通过应用反馈，壁面剪应力分布也接近参考解的分布，例如，可以以小于 1% 误差的精度再现平均壁面剪应力的最大值。