• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2015 Fiscal Year Annual Research Report

Clarification of fluid dynamical effect of near-wall flow field on enrtherial cell damage by measurement-integrated-simulation

Research Project

Project/Area Number 15H03914
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

早瀬 敏幸  東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30135313)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 西條 芳文  東北大学, 医工学研究科, 教授 (00292277)
下山 幸治  東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (80447185)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywordsバイオ流体力学 / 計測融合シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements

血管表面の内皮細胞の損傷は、動脈硬化や動脈瘤などの血管病変の発症の引き金になることが指摘されているが、その機序は未だ十分に理解されていない。本研究は、超音波計測と数値計算の融合解析手法を用いて、内皮細胞を培養した実験流路内に血管疾患の好発部位である頸動脈の血管壁近傍流れ場と圧力場を再現し、内皮細胞の損傷実験と超音波計測融合血流解析を行って、これまで未知であった生体内の血流場が内皮細胞損傷に与える影響を解明することにより、血管疾患の発症に対する内皮細胞近傍場の流体力学的寄与の正確な理解に基づく診断法の確立に貢献することを目的とする。
平成27年度の研究では、臨床応用を考慮し、2次元超音波計測融合血流解析システムを用いて実験を行った。本システムにより、ヒト頸動脈血管壁近傍の血流速度場を解析した。計測は、大学内のボランティアを募り、東北大学流体科学研究所倫理委員会の承認を得た上で行った。超音波プローブにより2次元血管断面形状と血流の超音波ビーム方向速度成分の時空間分布が計測でき、これらを流体解析にフィードバックすることにより血流場を再現した。通常のシミュレーションとの比較により、超音波計測融合シミュレーションの優位性を定量的に明らかにすることができた。本システムにより超音波計測から求めた血管変形を高精度に再現可能であることが示された。本研究成果を基に最高血圧と最低血圧に対応する静圧の変化を再現するための予備的結果が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

動脈硬化や動脈瘤などの血管病変の発症の引き金になる血管表面の内皮細胞の損傷の機序は未だ十分に理解されていない。本研究は、超音波計測と数値計算の融合解析手法を用いて、内皮細胞を培養した実験流路内に血管疾患の好発部位である頸動脈の血管壁近傍流れ場と圧力場を再現し、内皮細胞の損傷実験と超音波計測融合血流解析を行って、これまで未知であった生体内の血流場が内皮細胞損傷に与える影響を解明することにより、血管疾患の発症に対する内皮細胞近傍場の流体力学的寄与の正確な理解に基づく診断法の確立に貢献することを目的とする。
平成27年度の研究では、臨床応用を考慮し、2次元超音波計測融合血流解析システムを用いて実験を行い、ヒト頸動脈血管壁近傍の血流速度場の構造を明らかにした。計測は、大学内のボランティアを募り、東北大学流体科学研究所倫理委員会の承認を得た上で行った。超音波プローブにより2次元血管断面形状と血流の超音波ビーム方向速度成分の時空間分布が計測でき、これらを流体解析にフィードバックすることにより血流場を再現した。通常のシミュレーションとの比較により、超音波計測融合シミュレーションの優位性を定量的に明らかにすることができた。本システムにより超音波計測から求めた血管変形をもとに最高血圧と最低血圧に対応する静圧の変化も再現するための予備的結果がえられたことから、2次元超音波計測融合血流解析システムによるヒト頸動脈血管壁近傍の血流速度場の解明に関しては、おおむね順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、引き続き、臨床応用を考慮し、2次元超音波計測融合血流解析システムを用いて実験を行う。本システムにより、ヒト頸動脈血管壁近傍の血流速度場と血圧場を解析する。超音波プローブにより2次元血管断面形状と血流の超音波ビーム方向速度成分の時空間分布が計測でき、これらを流体構造連成解析にフィードバックすることにより血流場と血圧場を再現する。本システムでは超音波計測から求めた血管変形をもとに最高血圧と最低血圧に対応する静圧の変化も再現することができる。
頸動脈血管壁近傍の血流場を再現した実験流路内の血流の超音波計測融合解析と培養内皮細胞の損傷実験を行う。分岐や曲りなどの複雑な形状を有する頸動脈内の非定常血流場における血管壁近傍の流れ場を局所的に再現する実験流路を用いる。通常の平行平板間流路に対して流れに角度をもって流入する第2の流路を追加することにより血管壁近傍の流れを再現する。実験に当たって実験流路内の流れ場の超音波計測融合解析を実施することにより、正確に血管壁近傍の流れ場を再現する。
以上より、内皮細胞損傷を引き起こす血管壁近傍血流場の流体力学的な発生メカニズムを明らかにする。実験流路内の内皮細胞損傷実験の結果より、内皮の損傷を引き起こす流れ場の構造を明らかにするとともに、対応する頸動脈内の超音波計測融合血流解析により、血管形状や脈波によって、壁近傍の流れ場が生ずる流体力学的なメカニズムを明らかにする。これらの知見を基に、血管内皮損傷を与える流れの発生メカニズムを明らかにするとともに、血管疾患に対する流体力学的寄与の正確な理解に基づく診断法について検討する。

  • Research Products

    (8 results)

All 2016 2015

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Study of Estimation Method for Unsteady Inflow Velocity in Two-Dimensional Ultrasonic-Measurement-Integrated Blood Flow Simulation2016

    • Author(s)
      Hiroko Kadowaki, Toshiyuki Hayase, Kenichi Funamoto, and Nobuyuki Taniguchi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Biomedical Engineering

      Volume: 63 Pages: 403-414

    • DOI

      doi: 10.1109/TBME.2015.2461559

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Blood flow analysis in carotid artery bifurcation by two-dimensional ultrasonic-measurement-integrated simulation2015

    • Author(s)
      Hiroko Kadowaki, Toshiyuki Hayase, Kenichi Funamoto, Shusaku Sone, Tadashi Shimazaki, Takao Jibiki and Koji Miyama
    • Journal Title

      Journal of Biomechanical Science and Engineering

      Volume: 10 Pages: -

    • DOI

      DOI:10.1299/jbse.14-00266

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 拍動に伴う血管形状の変形を考慮した2次元超音波計測融合血流解析(Bモード画像による非定常血管形状抽出)2016

    • Author(s)
      原田大輔,早瀬敏幸,宮内優,井上浩介,門脇弘子,島崎正,地挽隆夫,見山広二
    • Organizer
      日本機械学会東北支部第51期総会・講演会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2016-03-11
  • [Presentation] 2次元超音波計測融合血流解析における速度ベクトルの解析精度の検証2016

    • Author(s)
      門脇弘子,早瀬敏幸,宮内優,井上浩介,島崎正,地挽隆夫
    • Organizer
      日本機械学会第28回バイオエンジニアリング講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都・目黒区)
    • Year and Date
      2016-01-10
  • [Presentation] Determination of optimum feedback gain of two-dimensional ultrasonic-measurement-integrated blood flow analysis system2015

    • Author(s)
      Hiroko Kadowaki, Toshiyuki Hayase, Kenichi Funamoto, Suguru Miyauchi, Kosuke Inoue, Tadashi Shimazaki, Takao Jibiki, Koji Miyama
    • Organizer
      12th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2015)
    • Place of Presentation
      仙台国際センター(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2015-10-29
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 2次元超音波計測融合血流解析における上流端流速推定手法の実血管形状による検証2015

    • Author(s)
      門脇弘子,早瀬敏幸,船本健一,宮内優,谷口信行
    • Organizer
      日本流体力学会年会2015
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都・目黒区)
    • Year and Date
      2015-09-26 – 2015-09-28
  • [Presentation] Effect of speckle noise in ultrasonic measurement on two-dimensional ultrasonic-measurement-integrated blood flow analysis2015

    • Author(s)
      Hiroko Kadowaki, Toshiyuki Hayase, Kenichi Funamoto, Suguru Miyauchi, Kosuke Inoue, Tadashi Shimazaki, Takao Jibiki, Koji Miyama
    • Organizer
      World Congress on Electrical Engineering and Computer Systems and Science
    • Place of Presentation
      Barcelona (Spain)
    • Year and Date
      2015-07-13 – 2015-07-14
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 2次元超音波計測融合血流解析システムにおける最適フィードバックゲインの決定2015

    • Author(s)
      門脇弘子,早瀬敏幸,船本健一,井上浩介,島崎正,地挽隆夫,見山広二
    • Organizer
      日本超音波医学会第88回学術集会
    • Place of Presentation
      グランドプリンスホテル高輪(東京都・品川区)
    • Year and Date
      2015-05-22

URL: 

Published: 2018-01-16  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi