時間軸と生体力学機能軸を統合した多元計算解剖モデルによる肺がん切除術後の予測

• Project Area: Multidisciplinary computational anatomy and its application to highly intelligent diagnosis and therapy
• Project/Area Number: 17H05298
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 陳 献 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (70313012)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 呼吸シミュレーション / 残存肺 / 生体力学 / 生体医工学 / 生体力学シミュレーション / 生物・生体工学

Outline of Annual Research Achievements

本研究では肺切除術後の生体力学シミュレーションを行い、残存肺における生体力学的状態を計算機上で再現し、医用画像における残存肺の形態情報と生体力学機能情報との関連性を明らかにすることにより、残存肺拡張の予測手法を開発する。前年度の研究に続いて、本年度ではまず肋間筋の収縮が胸郭運動に及ぼす影響を調べた。各部位の肋間筋が肋骨に作用する回転モーメントが異なり、そのモーメントの分布が胸郭の変形ひいては呼吸能力に影響を与えることを明らかにした。さらに、気流解析においては、主気管支を３D、細気管支を１D、肺実質を０Dとして、３D-1D及び１D-0D間で流量保存則および圧力の連続条件が満たされるように接続した各階層の気流流れの連成解析手法を開発し、呼吸系全体における気流流れ解析を可能にした。一方、これまでの呼吸シミュレーションモデル構築に使用されていた医用画像は吸気末期のものであるため、主要呼吸筋の収縮を再現できない；肺は左肺と右肺のみで、各肺葉を区別しないなどの欠点があるため、呼吸系モデルの作成方法を改良し、より生理学的及び解剖学的状態に近い呼吸系シミュレーションモデルを構築した。各肺葉を区別することにより、肺葉間の接触状態が複雑となり、安定的収束計算が難しくなるため、より効果的接触解析アルゴリズムを適用した。以上の成果を基に、各肺葉の切除術シミュレーションを行い、残存肺の変形、肺内空気流れの変化、肺胞圧の変化、残存肺の歪み及び応力分布などを調べた。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Effect of Intercostal Muscle Contraction on Rib Motion in Humans Studied by Finite Element Analysis (2018)
  • Author(s): Guangzhi Zhang, Xian Chen, Junji Ohgi, Fei Jiang, Seiryo Sugiura, and Toshiaki Hisada
  • Journal Title: Journal of Applied Physiology Volume: 125 Issue: 4 Pages: 1165-1170
  • DOI: 10.1152/japplphysiol.00995.2017
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 混合体理論に基づく肺内気流動態と胸郭変形の連成解析手法の開発 (2019)
  • Author(s): 蒋飛、平野綱彦、大木順司、陳献
  • Organizer: 日本機械学会2019年度年次大会
• [Presentation] Coupling finite element and lattice Boltzmann methods via immersed boundary approach for fluid-structure interaction simulation (2019)
  • Author(s): Fei Jiang, Xian Chen, Junji Ohgi
  • Organizer: Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM)
• [Presentation] Biomechanical simulation of respiratory system for lung cancer surgery (2018)
  • Author(s): F. Jiang, X. Chen, K. Ueda, J. Ohgi
  • Organizer: Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS) 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 肺がん切除術後の肺機能を評価する呼吸器シミュレータの開発 (2018)
  • Author(s): 蒋 飛，陳 献，上田 和弘，大木 順司
  • Organizer: 日本機械学会2018年度年次大会
• [Presentation] 肺葉切除術後の残存肺における生体力学環境に関する研究 (2018)
  • Author(s): 陳 献，蒋 飛，上田和弘，大木順司
  • Organizer: 第27回日本コンピュータ外科学会大会
• [Presentation] Fluid-structure interaction simulation via the coupling of finite element and lattice Boltzmann methods (2017)
  • Author(s): Fei Jiang, Xian Chen, Junji Ohgi
  • Organizer: The 8th International Conference on Computational Methods
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 肺がん手術支援のための呼吸系生体力学シミュレーションシステムの構築 (2017)
  • Author(s): 陳献，蒋飛，上田和弘，大木順司
  • Organizer: 第26回日本コンピュータ外科学会大会