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

2021 Fiscal Year Annual Research Report

Fluid-Structure Interaction Modeling of Heart Valves and Red Blood Cells

Research Project

Project/Area Number 18H04100
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

滝沢 研二  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60415809)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 今井 陽介  神戸大学, 工学研究科, 教授 (60431524)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Keywords接触 / 厚み / 流体構造錬成 / 心臓弁
Outline of Annual Research Achievements

心臓弁の開閉に伴い、その内側を流れる赤血球を含む血液は1)流速3 m/sから急激に静止する強い非定常性、2)弁尖同士に挟まれるという 特異性がある。そのため、実験での観測が極めて困難であり、従来の数値計算でも再現できない。従って、弁の開閉やそれに伴う血流動態といった物理の解明には至っていない。本研究では、心臓の弁近傍の血流動態の解明に向け、流体構造連成解析手法を拡張する。具体的には、弁を 含む流体構造連成問題、高速流れ中の赤血球挙動、心臓弁開閉時の赤血球挙動の数値計算手法を順に構築する。統合した手法を用い、赤血球が 弁の開閉時にどのように振る舞うかを詳細に再現することで、血流動態を明らかにする。これにより、心臓弁の機能を損なう疾患の予防・治療 方法に、力学的視点から新たな指針を提示することを目的としている。

本研究では、心臓弁の開閉が起こるようなトポロジー変化が起きる空間を占める流体を、物体適合格子を用いて計算する手法を構築している。この方法は従来の信頼のある解析手法を損なうことなく同時にトポロジー変化も考慮できる方法で、トポロジー変化に特化した手法に比べ信頼性が高い。この方法による計算から、弁が閉じる際に流速は必ずしも徐々に小さくなるわけではないことが示されており、開閉時に生じる速度境界層を捉えることの重要性などがわかる。この事実から、他手法では議論しにくい開閉近傍の現象解明を数値計算により検証ができるようになっている。また赤血球を含む流体解析は多く場合、その影響度合いの高い毛細血管のような低速の箇所であるが、本研究では速度の高い領域での赤血球挙動を議論するために、Navier-Stokes方程式に基づく流体と赤血球の連成問題について取り組んでいる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究は4つの研究項目からなる。それは1)血管壁の流体構造連成問題、2)弁の流体構造連成問題、3)高速流れ中の赤血球 運動問題、4)心 臓弁開閉時の赤血球の挙動の理解である。本年は2)、3)として研究を進めた。心臓弁は薄肉の材料と見ることができるが、曲げ剛性は無視できないレベルである。このような材料はKirchhoff-Love shellで表現することができる。その一方で、超弾性体であることから厚み方向の変化も少なくないことがわかっている。そこで、本年度はこのKirchhoff-Love shellの近似において厚み方向の定式化を高度化することで、従来行われていた平面応力近似をせずに解く方法を提案した。本手法に関連し、赤血球のモデルにも新しい研究成果を出すことができた。赤血球の膜はSkalakによるモデルが有名で、非常に薄いため曲げ剛性が考慮されないものも多い。その一方でHelfrichは別途、曲げ合成を考慮しておりそれらを足し合わせた形のモデルが使われている。本研究では、Kirchhoff-Love shellに基づいてSkalakの定式化に厚みを考慮するとHelfrichと同一の定式化になることを示した。この考えの利点は、Skalakにおいて面積弾性率は非常に高いという漠然としたモデルになることに対して、曲げ合成を定量的に評価することがSkalakの面積弾性率を定めることになるという点である。このことより、不明瞭なモデルパラメータの数を減らすことができているといえる。さらに本年度は、弁のような薄肉物体の接触について一定の成果を上げることができた。以上のことより本研究は順調に進捗している。

Strategy for Future Research Activity

最終年度として、心臓弁開閉時の赤血球の挙動の理解について進める。赤血球の挙動についてはマクロスケールにおいて、開閉時の赤血球分布の密度という考えと、
個別の赤血球の挙動という2つに分けて考えれば良いことがわかっている。したがって両者の側面から研究を進めることでいくつかの知見を示すことができると考えている。さらに、このような知見に基づいて人工弁に対する評価に適用できるような評価項目を検討する方針である。

  • Research Products

    (24 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results) Book (2 results)

  • [Int'l Joint Research] ライス大学/ブラウン大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      ライス大学/ブラウン大学
  • [Int'l Joint Research] サンカルロス連邦大学(ブラジル)

    • Country Name
      BRAZIL
    • Counterpart Institution
      サンカルロス連邦大学
  • [Journal Article] Computational flow analysis with boundary layer and contact representation: II. Heart valve flow with leaflet contact2022

    • Author(s)
      T.Terahara, T.Kuraishi, K.Takizawa, and T. E.Tezduyar
    • Journal Title

      Journal of Mechanics

      Volume: 38 Pages: 185-194

    • DOI

      10.1093/jom/ufac013

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A hyperelastic extended Kirchhoff-Love shell model with out-of-plane normal stress: I. Out-of-plane deformation2022

    • Author(s)
      Y. Taniguchi,K. Takizawa, Y. Otoguro, and T.E. Tezduyar
    • Journal Title

      Computational Mechanics

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1007/s00466-022-02166-x

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Computational flow analysis with boundary layer and contact representation: I. Tire aerodynamics with road contact2022

    • Author(s)
      T. Kuraishi, T. Terahara,K. Takizawa, and T.E. Tezduyar
    • Journal Title

      Journal of Mechanics

      Volume: 38 Pages: 77-87

    • DOI

      10.1093/jom/ufac009

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A linear-elasticity-based mesh moving method with no cycle-to-cycle accumulated distortion2021

    • Author(s)
      P. Tonon, R.A.K. Sanches,K. Takizawa, and T.E. Tezduya
    • Journal Title

      Computational Mechanics

      Volume: 67 Pages: 413-434

    • DOI

      10.1007/s00466-020-01941-y

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Challenges in Computational Cardiovascular Analysis2022

    • Author(s)
      Kenji Takizawa
    • Organizer
      北陸応用数理研究会2022
    • Invited
  • [Presentation] 流れの中の赤血球に対するIGA-LBM2022

    • Author(s)
      浅井悠佑, 石田駿一, 寺原拓哉, 滝沢研二, 今井陽介
    • Organizer
      第32回バイオフロンティア講演会
  • [Presentation] Space-Time Flow Computation with Contact Betweenthe Heart Valve Leaflets2021

    • Author(s)
      Kenji Takizawa
    • Organizer
      iHEART MCF2021 Conference-Modelling the Cardiac Function
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Isogeometric離散化に基づく面垂直応力の厚み方向変化を考慮したKirchhoff-Loveシェル定式化の検討2021

    • Author(s)
      谷口 靖憲,滝沢 研二, Tezduyar Tayfun E
    • Organizer
      第26回計算工学講演会
  • [Presentation] 僧帽弁閉鎖を考慮した左心室内流体解析に関する基礎検討2021

    • Author(s)
      南原 恵,寺原 拓哉,滝沢 研二,Tezduyar Tayfun E.
    • Organizer
      第26回計算工学講演会
  • [Presentation] アイソジオメトリック解析による接触を伴う心臓弁解析2021

    • Author(s)
      寺原 拓哉,滝沢 研二, Tezduyar Tayfun E.
    • Organizer
      第26回計算工学講演会
  • [Presentation] Isogeometric 離散化に基づく面垂直応力を考慮したKirchhoff-Love シェル定式化-平面応力シェルとの比較・検討-2021

    • Author(s)
      谷口 靖憲, 滝沢 研二, Tezduyar Tayfun
    • Organizer
      日本応用数理学会2021年度年会
  • [Presentation] 接触する心臓弁周囲の赤血球軌道追跡2021

    • Author(s)
      中村 貴博,寺原 拓哉,乙黒 雄斗,滝沢 研二,Tezduyar Tayfun E.
    • Organizer
      第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [Presentation] Isogeometric 離散化に基づく面垂直応力の厚み方向変化を考慮した Kirchhoff-Love シェル:境界条件式に関する考察2021

    • Author(s)
      谷口 靖憲,滝沢 研二,Tezduyar Tayfun E.
    • Organizer
      第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [Presentation] 僧帽弁解析に向けた接触問題に関する基礎検討2021

    • Author(s)
      南原 恵,寺原 拓哉,谷口 靖憲,滝沢 研二,Tezduyar Tayfun E.
    • Organizer
      第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [Presentation] 医用画像を対象とした形状抽出における k-refinement および方向依存性2021

    • Author(s)
      齋藤 耀玖,乙黒 雄斗,寺原 拓哉,後藤 圭,滝沢 研二,TezduyarTayfun E.
    • Organizer
      第34回計算力学講演会(CMD2021)
  • [Presentation] 腹部大動脈瘤成長予測に対する流体および構造力学による検討2021

    • Author(s)
      伊藤 順平,吾妻 駿人,寺原 拓哉,滝沢 研二,Tayfun E. Tezduyar
    • Organizer
      第35回数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] 心臓弁開閉における赤血球解析のための基礎検討2021

    • Author(s)
      中村 貴博, 寺原 拓哉, 乙黒 雄斗, 滝沢 研二, Tayfun E. Tezduyar
    • Organizer
      第35回数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] 接触力を考慮した心臓弁解析と境界適合格子を用いた高精度流体解析2021

    • Author(s)
      南原 恵, 寺原 拓哉, 谷口 靖憲, 滝沢 研二, Tezduyar Tayfun E.
    • Organizer
      第35回数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] Coupling isogeometric analysis with lattice Boltzmann method for simulating red blood cells in flows2021

    • Author(s)
      Asai, Y., Ishida, S., Terahara, T., Takizawa, K., and Imai, Y.
    • Organizer
      11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] カプセルの流動計算のためのIGA-LBM2021

    • Author(s)
      浅井悠佑, 石田駿一, 寺原拓哉, 滝沢研二, 今井陽介
    • Organizer
      第26回計算工学講演会
  • [Book] Current Trends and Open Problems in Computational Mechanics (Space-time flow computation with contact between the moving solid surfaces)2022

    • Author(s)
      K. Takizawa, T. Terahara, and T.E. Tezduyar
    • Total Pages
      607
    • Publisher
      Springer
  • [Book] Current Trends and Open Problems in Computational Mechanics (Space-time computational FSI and flow analysis: 2004 and beyond)2022

    • Author(s)
      T.E. Tezduyar, K. Takizawa, and T. Kuraishi
    • Total Pages
      607
    • Publisher
      Springer
    • ISBN
      978-3-030-87312-7

URL: 

Published: 2022-12-28  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi