2018 Fiscal Year Research-status Report
脳血管内治療用デバイスの構造力学モデリングによる治療戦略の患者別決定支援
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18K18367
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大谷 智仁 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (40778990)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 計算バイオメカニクス / 有限要素法 / 共回転系定式化 / 脳動脈瘤 / コイル塞栓術 / ステント留置術 / 大たわみ問題 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度において，①脳動脈瘤に対する血管内治療デバイス（コイル・ステント）の力学挙動を表現するための計算力学モデルを構築し，構築したモデルの応用により，②脳動脈瘤の理想形状モデルへのコイル塞栓術および③屈曲血管に対するステント留置の数値シミュレーションを実施した．
治療用デバイスの挙動の表現にあたり，デバイスを構成するワイヤをKirchhoff’s rod theoryに基づきモデル化し，ワイヤの弾性抵抗として長軸方向に対する引張圧縮，曲げ，ねじりの3つの弾性エネルギを定義した．ワイヤを2節点で構成される梁要素で有限要素分割し，BattiniとPacoste (Compt. Methods Appl. Mech. Eng., 2002) の共回転定式化により，ワイヤの幾何学的非線形性を考慮して梁要素の内力を求めた．ワイヤと血管壁，もしくはワイヤ間の接触力について，法線方向の接触力はペナルティ法を用いて設定し，接線方向の接触力はslip-stickを考慮した一般化Coulomb則に従う摩擦力を与えた．以上の内力と接触力をワイヤの運動方程式に与え，逐次的に解くことで，大変形および摩擦接触を考慮してワイヤの力学挙動を表現した．構築したワイヤの力学モデルを用いて，②の脳動脈瘤に対するコイル挿入および③の脳血管へのステント留置のシミュレーションをそれぞれ実施し，ともに安定的に動作することを確認した．
結輪として，平成30年度は①の目標である計算力学モデルを開発し，②および③のシミュレーション技術の構築をそれぞれ達成した．平成31年度では，開発したシミュレータの各種計算条件がデバイスの展開後形状やその力学場に与える影響について考察を行う．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り，脳血管内治療デバイスの力学挙動解析に応用できる汎用的なワイヤの計算力学モデルを構築でき，曲がり梁の大たわみに関するベンチマーク問題を解くことで，構築したワイヤの計算コードの妥当性を確認した．さらに複数のワイヤ間の接触や，ワイヤと剛体壁との摩擦接触を考慮することで，脳動脈瘤へのコイル塞栓術や血管内へのステント留置術のシミュレータ開発にそれぞれに成功した．
コイル塞栓シミュレータにおいて，コイルを構築したワイヤとしてモデル化し，コイルの一重らせん形状に起因するみかけの引張圧縮，曲げ，ねじり剛性を全て考慮し，コイルの巨視的な力学特性を満足するコイルの力学モデルを構築した．瘤の理想形状モデルへの挿入シミュレーションを実施し，壁面との摩擦係数の違いによる留置過程のコイルの挙動の変化をとらえることに成功した．
ステント留置シミュレータにおいて，複数の独立なワイヤが編み込まれた編み込み型ステントを対象とし，ワイヤの計算モデルを複数編み込むことでステント形状を表現した．カテーテルへのステント留置から屈曲血管への輸送，展開といった臨床における一連のプロセスを全て計算上で表現し，屈曲血管への留置過程におけるステントの力学挙動を安定的に解けることを確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度に開発した脳動脈瘤コイル塞栓および血管内へのステント留置の計算シミュレータを用いて，それぞれの脳血管内治療デバイスにおいて，各種の計算条件の違いがデバイスの留置過程における挙動や展開後の分布形状に与える影響を評価する．ここではコイルやステントを構成するワイヤの力学特性や，壁面との摩擦係数の違いが，各種デバイスの力学挙動に与える影響を定量的に評価し，展開不良のメカニズムを考察する．展開不良のメカニズムとして，デバイスの血管内での大たわみに起因する座屈挙動が予備計算から推察される．この挙動の詳細な理解のため，大たわみにおいて生じる非線形挙動を高精度に評価するための計算モデルの改良を合わせて実施する．
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| Causes of Carryover |
平成30年度において数値計算用ワークステーションの購入を検討していたが，計算モデル開発の段階では必ずしも多くの計算資源を必要としなかったため本年度の使用を見送った．次年度においては本年度に開発したモデルを用いた複数の計算力学解析を実施するため，数値計算および可視化用に特化したワークステーションを購入する．
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