肺気道分岐管内の対流レゾナンスによるガス輸送促進

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10450077
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 谷下 一夫 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (10101776)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 池田 満里子 慶應義塾大学, 文学部, 教授 (00051368) ; 菱田 公一 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (40156592) ; 岡 浩太郎 慶應義塾大学, 理工学部, 助教授 (10276412) ; 小林 弘祐 北里大学, 医学部, 専任講師 (70153632) ; 小林 紘一 慶應義塾大学, 医学部, 教授 (80051704)
• Keywords: 呼吸力学 / 振動流 / 生物流体力学 / 高頻度換気人工呼吸 / バイオメカニクス / 二次流れ / 対流レゾナンス

Research Abstract

肺では気道内の呼気及び吸気から成る往復流によってガスが交換されている。この気道内のガス交換メカニズムは、気道の幾何学的形状や、気道の開口、気道内表面に分泌する表面活性剤などの影響を受けるので、大変複雑なプロセスを経ることになるが、実際の生体では極めて効率的で酸素の需要の急激な変化にも迅速に適応して、ガス交換を行っている。肺では、気管支から始まる分岐のネットワーク構造の気道内の往復流によってガスが運搬されている。そこで、本研究では、分岐部の曲率によって生じた二次流れが主要な役割をしている対流レゾナンスという現象に着目して、対流レゾナンスによるガス輸送量の顕著に増大するメカニズムを流体力学的な観点から調べ、対流レゾナンスが通常の呼吸において効果的に効いているのかを明らかにする。さらに、高頻度振動換気(HFO:High Frequency Oscillation)という人工呼吸法に積極的に対流レゾナンスを利用することによって、ガス交換性能の改善が期待出来る。本研究では、HFO人工呼吸法への対流レゾナンスの活用に関してモデル実験と数値計算を行い、対流レゾナンスの有効性に関して検討を行った。対流レゾナンスの効果は、とくに分岐部での二次流れが顕著に生ずる部位に生じ、軸方向のガス輸送効率の改善が見られた。さらに実際の気管支は気管の伸展性が大きな影響を与えるため、気管の伸展性を実測して、生体内の気管を再現する工夫を行った。その結果、伸展性をもつ壁のために気管内に生ずる乱流が抑制されることが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] Tanishita,K.et al.: "Spatial and temporal variation of secondary flow during oscillatory flow in model human central airway"J.Biomech.Eng.,ASME. 121. 565-573 (1999)
• [Publications] Tanishita,K.et al.: "Oscillatory flow and gas transport through a symmetrical bifurcation"J.Biomech.Eng.,ASME. (to appear). (2000)
• [Publications] 谷下一夫他: "伸展性を有する気道狭窄モデル内の流れ"日本機械学会第12回バイオエンジニアリング講演会講演論文集. 12. 189-190 (2000)