Development of computational biomechanics of the gastrointestinal system

• Project/Area Number: 17H02075
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Kobe University (2018-2020); Tohoku University (2017)
• Principal Investigator: Imai Yohsuke 神戸大学, 工学研究科, 教授 (60431524)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2019: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2018: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 消化器系バイオメカニクス / 計算バイオメカニクス / 計算力学 / 生体シミュレーション / 医工学

Outline of Final Research Achievements

We developed a numerical model of gastric flow using computational fluid dynamics, medical imaging, and electrophysiology. We showed that impaired coordination between antral contraction and pyloric closure can result in delayed gastric emptying and bile reflux. We also found that slow wave velocity changed with interstitial cells of Cajal loss and aging, resulting in changes in emptying rate.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

潰瘍や癌がないにも関わらず胃痛や胸やけを訴える疾患を「機能性ディスペプシア」と呼び，消化管運動障害がその原因と考えられている．しかしながら，胃内部の食物流動を観察することは困難であり，消化管運動と食物流動の関係は十分明らかでない．本研究では，胃内部で生じる食物流動のコンピュータシミュレーション（数値流体力学解析）を実現した．

Research Products

• [Int'l Joint Research] オークランド大学(ニュージーランド)
• [Int'l Joint Research] オークランド大学(ニュージーランド)
• [Int'l Joint Research] オークランド大学(ニュージーランド)
• [Int'l Joint Research] オークランド大学(ニュージーランド)
• [Journal Article] The influence of interstitial cells of Cajal loss and aging on slow wave conduction velocity in the human stomach (2020)
  • Author(s): Wang Tim Hsu‐Han、Angeli Timothy R.、Ishida Shunichi、Du Peng、Gharibans Armen、Paskaranandavadivel Niranchan、Imai Yohsuke、Miyagawa Taimei、Abell Thomas L.、Farrugia Gianrico、Cheng Leo K.、O’Grady Gregory
  • Journal Title: Physiological Reports Volume: 8 Issue: 24
  • DOI: 10.14814/phy2.14659
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantification of gastric emptying caused by impaired coordination of pyloric closure with antral contraction: a simulation study (2019)
  • Author(s): Ishida S, Miyagawa T, O'Grady G, Cheng LK, Imai Y
  • Journal Title: J Roy Soc Interface Volume: 16 Issue: 157 Pages: 20190266-20190266
  • DOI: 10.1098/rsif.2019.0266
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Shear viscosity of bimodal capsule suspensions in simple shear flow (2019)
  • Author(s): H. Ito, D. Matsunaga, Y. Imai
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 4 Issue: 11 Pages: 113601-113601
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.4.113601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A computational fluid dynamics simulation of liquid swallowing by impaired pharyngeal motion: bolus pathway and pharyngeal residue (2019)
  • Author(s): Ohta Jun、Ishida Shunichi、Kawase Tetsuaki、Katori Yukio、Imai Yohsuke
  • Journal Title: American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology Volume: 317 Issue: 6 Pages: G784-G792
  • DOI: 10.1152/ajpgi.00082.2019
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Computation of complex physiological flows (2019)
  • Author(s): Imai Y
  • Organizer: Osaka University MEI-Center Summer School 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 体の中の複雑な流れを計算する (2018)
  • Author(s): 今井陽介
  • Organizer: 第90回バイオメクフォーラム（豊中市）
  • Invited
• [Presentation] 体の中の流れを計算する (2018)
  • Author(s): 今井陽介
  • Organizer: 第14回東北大学REDEEMシンポジウム（東京都）
  • Invited
• [Presentation] 胃の中の流れを計算する (2018)
  • Author(s): 今井陽介
  • Organizer: 第50回生物機械システム研究会（豊中市）
  • Invited
• [Presentation] Relationship between gastric wall motility and mixing of liquid foods in the stomach (2018)
  • Author(s): Miyagawa, T., Ishida, S., O’Grady, G., Cheng, L., and Imai, Y.
  • Organizer: 8th World Congress on Biomechanics, Dublin, Ireland
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 胃の撹拌・排出の計算力学解析 (2018)
  • Author(s): 石田駿一，宮川泰明，Gregory O’Grady, Leo K. Cheng, 今井陽介
  • Organizer: 第31回計算力学講演会（徳島市）
• [Presentation] 実形状モデルを用いた胃内流動の数値計算 (2018)
  • Author(s): 石田駿一，宮川泰明，Gregory O’Grady, Leo K. Cheng, 今井陽介
  • Organizer: 第32回数値流体力学シンポジウム（東京都）
• [Presentation] 胃内容物の撹拌・排出の数値シミュレーション (2018)
  • Author(s): 石田駿一，宮川泰明，Gregory O’Grady, Leo K. Cheng, 今井陽介
  • Organizer: 第31回バイオエンジニアリング講演会（郡山市）
• [Presentation] 胃から十二指腸への食物排出の数値計算 (2017)
  • Author(s): 今井陽介，石田駿一，宮川泰明，O'Grady Gregory，Cheng Leo K.
  • Organizer: 第22回計算工学講演会（さいたま市）
• [Presentation] 細胞の流動・接着や消化器系流れの数値流体力学 (2017)
  • Author(s): 今井陽介
  • Organizer: 産業技術総合研究所 計算バイオメカニクスに関する研究交流会（つくば市）
  • Invited
• [Presentation] 胃における蠕動運動と流れの関係についての一考察 (2017)
  • Author(s): 宮川泰明，石田駿一，O'Grady Gregory, Cheng Leo K., 今井陽介
  • Organizer: 日本機械学会第30回計算力学講演会（東大阪市）
• [Presentation] 生体内の流れを計算する (2017)
  • Author(s): 今井陽介
  • Organizer: 秋田県立大学特別講義（由利本荘市）
  • Invited
• [Book] Integrated Nano-Biomechanics (2018)
  • Author(s): Yamaguchi, T., Ishikawa, T., and Imai, Y. Editors
  • Total Pages: 314
  • Publisher: Elsevier
• [Book] Frontiers in Computational Fluid-Structure Interaction and Simulation (2018)
  • Author(s): Tezduyar, T. Editor
  • Total Pages: 480
  • Publisher: Springer
• [Remarks] Advanced Fluid Engineering Lab
  • URL: http://www.lab.kobe-u.ac.jp/eng-afe/index.html