非等方多孔質体理論のバイオ伝熱への応用

各向异性多孔体理论在生物传热中的应用

基本信息

批准号：
09J00244
负责人：
佐野吉彦
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の主な目的は,非等方性多孔質体理論を用いて,複雑なバイオ伝熱系を取り扱い得る一般的解析手法を確立することにある.まず,生体組織を非等方多孔質体として捉え,生体伝熱の定式化を局所体積平均理論の基づき最小の仮定で実施した.その結果,生体組織全体を一括して取り扱いうるマルチスケールモデル(第48回日本伝熱シンポジウム,生体伝熱のマルチスケールモデリング,口頭,2011年6月1-3日)を確立した.本マルチスケールモデルより生体内の温度場の予測が可能となり,ハイパーサーミヤや凍結融解壊死療法の手術精度の向上が見込まれる.次に,本手法の応用として医療工学に焦点を当てた.人工透析器(ダイアライザー)に注目し,8000本を超える中空糸から構成されている人工透析器内の物質移動に対し非等方性多孔質体理論を適用した.その結果,血液と透析液間の物質移動における基礎方程式群(Sano Y, Nakayama A, A porous media approach for analyzing a countercurrent dialyzer system, ASME Trans. J, Journal of Heat Transfer)を導き,人工透析器の改良に資する情報を提示した.さらに,医療工学への応用として,人工心肺を考えた.人工心肺の巨視的物質移動の式(東海支部第61期総会講演会2012,人工心肺の数学モデル,口頭,2012年3月15-16日)を多孔質体理論より導出し,輸送論に基づく人工心肺の設計指針を示した.また,本手法の有用性を確かめるべくタワー型太陽光発電への応用を考えた.ボリューメトリックレシーバー内の局所非熱平衡モデルの解析解(Sano Y, Nakayama A, Effects of thermal dispersion on heat transfer in cross-flow tubular, heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 48, Issue 1,pp.183-189)を導出した.その結果,レシーバー最大効率を迎える最適な気孔径が存在することが分かった.本研究を通し,バイオ伝熱のような構造が複雑な系の一般的な解析手法を多孔質体理論の統一的展開を考えることにより確立した.今後,本手法が活用されることにより,医療工学およびバイオ工学などのさらなる発展が期待される.

本研究的主要目的是建立一种可以利用各向异性多孔体理论处理复杂生物传热系统的通用分析方法。生物传热的公式基于局部体积平均理论。结果，开发了可以一次处理整个生物组织的多尺度模型（第48届日本传热研讨会，生物传热的多尺度建模，口头，2011年6月1日-3天）这种多尺度模型使得预测活体内温度场成为可能，有望提高热疗和冻融坏死治疗的手术精度。接下来，我们将重点关注该方法在医学工程上的应用。猜测.人工透析机（透析器），我们将各向异性多孔体理论应用于人工透析器中的传质，该透析器由8000多根中空纤维组成。结果，我们发现血液和透析液之间的传质为一组基本方程（佐野Y，Nakayama A，一种用于分析逆流透析器系统的多孔介质方法，ASME Trans J，热学杂志。此外，我们还考虑了心肺机在医学工程中的应用。心肺机的宏观传质方程（东海分会第61次全体会议演讲）2012年，心肺机的数学模型，Oral，2012年3。（5月15-16日）源自多孔体理论，并提出了基于传输理论的心肺机的设计指南。此外，为了证实该方法的有用性，我们考虑了其在塔式-体积接收器中局部非热平衡模型的解析解（Sano） Y，Nakayama A，热分散对错流管式换热器传热的影响，国际传热传质杂志，第 48 卷，第 1 期1，第183-189页）结果发现，存在一个能够实现最大接收器效率的最佳孔径。我们建立了基于多孔体理论的统一发展的分析方法。这种方法的使用将导致医学工程和生物工程的进一步发展。