2020 Fiscal Year Annual Research Report
Generation of Biomechanics for Infant Lung Acinus
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18K19921
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
越山 顕一朗 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (80467513)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊井 仁志 東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (50513016)
和田 成生 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (70240546)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 肺バイオメカニクス / 数理形状モデル / 肺胞 / 生体軟組織 / 超弾性体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，実験的手法では解明が難しい小児肺細葉の形態学的特徴の変化およびそこで生じる様々な力学現象を，「計算幾何学と最適化を用いた数理形状モデル」・「マルチスケール計算力学解析手法」を土台とした理論・解析によって明らかにするものである．さらに構築する研究プラットホームから，小児肺疾患の診断支援・治療法開発支援への展開を目指す学問領域“小児肺細葉バイオメカニクス”を創成するものである．本年度は，成長による肺細葉の形態学的特徴の変化とそれに起因した力学場の変化を検証するため，肺胞成長を扱った数理形状モデルの構築と，そのモデルを用いた有限要素解析を行った．中実の3/4回転楕円体形状の肺組織領域からの3/4球肺胞モデルを2個くり抜くことで隣接肺胞形状をモデル化し，その肺胞間距離を成長パラメータとして肺胞成長を表現した．成長パラメータの増加に伴い2つの肺胞間の組織領域である肺胞隔壁が高くなり，二つの肺胞構造が分離されていくことがわかった．また，隣接肺胞モデルを用いた膨張の有限要素解析から，膨張下では肺胞の開口部においてひずみの非一様性大きく異なり，肺胞隔壁付近ではほとんどひずみが生じない一方で，その反対側の肺胞開口部で顕著なひずみが生じることがわかった．また，肺胞と気道の集合体である肺細葉に関して，その成長過程で現れる様々な外形状を表現できるように，これまで開発してきた肺細葉数理モデルを改良した．これにより，外形上の違いが肺細葉内部構造の形態形成へ与える影響を評価することが可能になった．これに加えて，小児肺細葉力学解析に用いる力学パラメータの同定に向けて，肺組織の引張試験の結果と，有限要素解析を比較してそのパラメータを同定する最適化手法を開発した．
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