Effect of wall elasticity on hemodynamics inside patient-specific cerebral aneurysm
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22K03919
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
山口 隆平 東北大学, 流体科学研究所, 学術研究員 (90103936)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
太田 信 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (20400418)
田中 学 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (20292667)
安西 眸 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (50736981)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | Cerebral aneurysm / wall shear stress / wall compliance / flow instability / PIV / Wall shear stress / Elasticity / Flow instability |
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| Outline of Research at the Start |
従来の脳動脈瘤の研究では瘤壁を剛体と仮定し、計算流体力学による瘤の進展、破裂の予測が試みられてきた。動脈壁自体は柔軟性のある弾性を持つ。変形を伴う弾性壁では、瘤壁面が移動し、その結果WSS及びWSSG、KECが影響を受けると予測している。その結果、弾性による璧せん断応力(WSS)の大きさの抑制、WSSの勾配(WSSG)の挙動、流れの不安定性が瘤内で緩和されるという効果の解明である。
実際の患者の動脈瘤を薄膜弾性壁で実現できることが可能となり、患者固有のMRI画像に基づく薄膜動脈瘤内流れに対し、PIVで取り組み、漸く独自の方法により薄膜弾性壁の測定に辿り着いた。
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| Outline of Annual Research Achievements |
中大脳動脈の分岐部に発生した患者固有の実寸動脈瘤を薄膜弾性壁で再現した。動脈瘤の進展・破裂の予測評評価の精度の向上のため、柔軟な薄膜弾性壁の脳動脈瘤の血流の拍動に伴う膨張収縮形状を再現し、血行力学的因子である壁せん断力WSS、壁せん断力の空間勾配WSSGに加え、瘤壁の不安定性に影響する乱流運動エネルギ TKEを正確に予測する実験を実施した。測定面は動脈瘤内で主たる旋回流が発生する中間面とこれに直交する面で大小2つの二次的な旋回流が発生する2 Multi-planesで計測を行った。計測は、高光感度の散乱光が得られる Ultraviolet Laser と散乱粒子として希土からなるLumisis Particle を用いた。拍動流量の再現性を確立しながら、PIVではMulti-planes の計測を実行し、中大脳動脈瘤の主たる旋回流が発生する中間面と、これに垂直な一面を取り出し、拍動に伴う瘤形状、WSSおよび瘤入口から瘤の底部に衝突する淀み点回りでWSSの勾配 (WSSG)が極めて大きくなることから、淀み点回りに作用する張力、WSSG零となる Impinging Pointへの衝突が破裂の一因になる可能性を見出した。瘤壁のComplianceは、瘤壁が膨張収縮すれば変形が生じ、「WSSの抑制と、その空間微分であるWSSGの変化に伴う血管壁細胞間の引張収縮という効果、TKEが減衰すること明らかとなり、瘤の進展・破裂に如何に関与するか」ということを解明した。流体構造連成解析による瘤内血流停滞、動脈瘤の進展・破裂の予測を実行したが、弾性モデルはCompliance があるので、 FSI による一致を見なかった。これらの結果は、CFDによる動脈瘤 流れに関する論文1編が掲載され、1編が本年度4月に他のJournalに 載された。さらに他の論文１編を投稿中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
A.この1年間は、 この分野では脳動脈瘤壁厚1～1.2mmが国際的にも標準的であるが、本グループはシリコン壁厚 0.4mm程度までに到達する方法を、10回のDipping & 60℃の恒温槽で各8時間硬化し、多くの時間を要しこの厚みを確立している。この厚みは、世界最薄である。
B.確かに、薄膜弾性壁Phantomの作製に時間を要したが、2D-PIV による瘤中間面の形状、流体の流れ構造、WSS & WSSG、Flow Instabilityの測定から、 弾性壁の瘤淀み点回りのWSSの減衰、WSSGがTensile Force に直接関連して作用する破裂につながる可能性、弾性壁ではTurbulent Kinetic Energy（TKE）は剛体モデルより減衰することが示された。CFDによる剛体壁では、瘤壁の低壁せん断応力の部位で血液の滞留留時間が長くなることが瘤破裂に至ることを解明した。
C.現在、Semi 3D-PIV 計測を実施する段取りをしており、これがなされれば伸縮する薄膜弾性壁動脈瘤内の流動、進展、破裂に至る概念を大きく転換する提案が可能となる。例えば、弾性壁はWSSを緩和するか？Tensile Force (WSSG)への影響は？Flow Instability の減衰率する可能性は？など、多くの課題を解決し、この分野で新しい概念を提供できる。同時に、上述の解明は弾性壁瘤のFSI解析で、弾性と剛体壁モデルを比較することにより、実験の妥当性を確立できる。
D.今年度、膨張収縮する薄壁弾性壁動脈瘤内流れに関する論文がHigh Impact Factor のJournal に２ 編掲載され、１編を投稿中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2D-PIV を使用し、瘤内の直交する2平面で測定を行い、semi 3D-PIV 的に測定を行う。基本的に2D-PIVにより、薄膜弾性壁動脈瘤の形状、WSS、WSSGに直接関連する張力、淀み点でのImpinging Force、ComplianceによるFlow instability の減衰率、動脈瘤の破裂に至る RRT の評価など、新知見となる各種の物理量の解明を行う。今年度は、MCA Aneurysm で一定の成果が得られたので、さらにより重要な内頚動脈に動脈瘤 (ICA with Aneurysm) を持つPhantom Model の製作である。同時にStent の有効性を検証する。
したがって、2番目の目的は 動脈瘤を持つ内頚動脈の焦点は、弾性のあるICA with Aneurysmの製作であろう。同時に、ヨウ化ナトリウムとグリセリン水溶液からなる作動流体、Phantom SiliconeとアクリルBathの屈折率を合致させ、さらに高感度のUV-Laserを光源とし、散乱粒子として希土類であるルミシス粒子を用いることである。さらに、一般に動脈瘤を持つ血管病変患者の血管 は、 弾性係数が健常者の2～3倍になることを考慮して、代表者が確立した壁厚0.4 mm として、これらの現象を解明する。このPIV System により、流速、弾性壁形状を 同時に測定する。同時に、流体構造流体解析FSI し、これらの現象を解析す ることにより、実験と比較検討することにより、革新的な進歩につながる。動脈瘤を持つ内頚動脈を次のステップとしたい。
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Report
(2 results)
Research Products
(14 results)
