顎矯正手術による閉塞性睡眠時無呼吸リスクを予測するための流体音響解析法の開発

• Project/Area Number: 23K16128
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 57060:Surgical dentistry-related
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 矢島 康治 横浜市立大学, 医学部, 助教 (90837197)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 顎変形症 / 睡眠呼吸障害 / 気道

Outline of Research at the Start

気流音からリアルタイムの気流抵抗を予測できると考え，顎矯正手術による閉塞性睡眠時無呼吸リスクを予測するための流体音響解析法を開発することを目的とする．最初に単純な気道の3Dモデルを作製し，実現象を再現できる流体音響解析手法を確立する．次に，患者データから流体音響解析を行い，気流音から気道の狭窄程度を把握する手法を確立する．気流抵抗が上昇しているが閉塞までに至っていない気流音の特徴を解明することで，顎矯正手術による閉塞性睡眠時無呼吸リスクの新しい予測法を開発する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究は3段階で進めていく予定である。
第一段階A) 実際の気道は、複雑な形態をしているため、膨大な計算コストが必要となる。そのため、まずは単純な気道の実態モデルを作製し、実現象と比較しながら数値流体力学（Computational fluid dynamics: CFD）の最適な解析手法を確立することを目指す。現在複数の単純な気道実態モデルは、複数作製しCFDを用いた解析を行っているところである。しかし、実現象と比較するにはデータに数値的な乖離があり、CFDの手法やパラメータを調整とその妥当性について検証を行っている。
第二段階B) 患者データからCFDを行い、気流音から気道の狭窄程度を把握する手法を確立する。対象は、横浜市立大学附属病院および横浜市立大学附属市民総合医療センターにて、顎矯正手術を行う患者とする。術前と術後1年後で撮影したCT画像から気道を抽出し、数値流体力学解析ソフトウエアに咽頭気道の3次元モデルを取り込む。計算格子を付与し、流量500 ml/secを設定し吸気を想定した流体計算を行う。得られた数値から数理モデルを用いて音の大きさであるAcoustic power levelを算出する。現在は対象となる候補患者の予備調査を行い、概ね終了した。A）が終了して解析手法が確立後、倫理申請を行い、承認後に開始する予定である。
第三段階C) 気流音と気道狭窄の発生メカニズム解明とその対処法を開発することを目指しているが、現時点ではまだ未着手である。B）が終了後に行う予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究は3段階で進めていく予定であるが、第一段階A）では、単純な気道の実態モデルを作製し、実現象と比較しながらCFDの最適な解析手法を確立することを目指すこととしている。これまでに複数の単純な気道モデルを複数作製し、CFD解析を行った。しかし、実現象と比較するにはデータに数値的な乖離があり、CFDの手法やパラメータを調整とその妥当性について検証を行っているためである。A）の結果は、はB）やC）の研究方法の一部となっているため、慎重に検証を行う必要がある。

Strategy for Future Research Activity

A) については、単純な気道の実態モデルでの解析を進め、実現象と比較しながらCFDの最適な解析手法を確立することを目指す。
B) については、対象患者の術前と術後1年後で撮影したCT画像から気道を抽出し、数値流体力学解析ソフトウエアに咽頭気道の3次元モデルを取り込む。計算格子を付与し、流量500 ml/secを設定し吸気を想定した流体計算を行う。得られた数値から数理モデルを用いて音の大きさであるAcoustic power levelを算出する。本格的な解析はA）が終了し、手法が確立してから行う予定である。
C) 気流音と気道狭窄の発生メカニズム解明とその対処法を開発する。CFDによる計算結果には、1つの気道に設定される数百万か所の計算格子ごとに気流速度と圧力が記録される。このデータを解析することで、どのような力学が作用し、気道が狭窄するか詳細に把握することでき、気流音と気道狭窄の発生メカニズムの解明とその対処法の開発に寄与することが期待できる。B）が終了後に行う予定である。