2019 Fiscal Year Research-status Report
Characteristics of elasticity on suppression for progress and rupture in cerebral aneurysm
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19K04163
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
山口 隆平 東北大学, 流体科学研究所, 学術研究員 (90103936)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 学 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (20292667)
太田 信 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (20400418)
TUPIN SIMON 東北大学, 流体科学研究所, 特任助教 (40816394)
安西 眸 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (50736981)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | Cerebral aneurysm / Wall shear stress / Elasticity / Tensile force / Flow instability / PIV / FSI |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳動脈瘤の進展・破裂の予測評価の精度を向上させるため、これまで考慮されることが少なかった柔軟な薄膜弾性壁の脳動脈瘤の血流の拍動に伴う膨張・収縮変形を再現し、血行力学的因子である壁せん断応力WSS（Wall Shear Stress）、壁せん断応力の空間勾配 WSSG（Gradient of WSS）を正確に予測する実験・解析を実施した。まず、最大の問題である薄膜弾性壁Full-Scale Phantomを作製する手法を確立し、このモデルをセットする最適なBathを準備できた。さらに、拍動流量の高い再現性を確立し、粒子画像速度計 PIV (Particle Image Velocimetry) による計測を実行し、流体構造連成解析 FSI (Fluid-Structure Interaction) による瘤内血流停滞、脳動脈瘤の進展・破裂の予測を血行力学的な観点から実行した。
今年度は、中大脳動脈瘤の中間面となる一断面を取り出し、拍動に伴う変形、WSSおよび瘤入口から瘤の底部に衝突する淀み点回りで、WSSの瘤壁に沿う勾配(WSSG)が極めて大きくなることから、淀み点回りに作用するTensile forceが破裂の一因になる可能性を見い出した。同時に、一断面であるが、弾性モデルの最大及び壁に沿う平均WSSは、何れも剛体モデルよりそれぞれ8％、3％減少することが示された。さらに、弾性壁動脈瘤内ではFlow Instabilityが剛体壁の場合より10分の１以下に減衰し、伸縮する瘤壁の弾性を考慮する必要があること、さらに、淀み点回りの低せん断応力が瘤内に滞留する流体の割合が多いことを、剛体を仮定したCFD研究では示され、瘤壁の劣化、破裂に至る要因であることを見出している。
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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
現在、膨張する薄壁弾性動脈瘤内流れに関する論文のHigh Impact Factor のJournal 投稿する原稿2編が完成し、間もなく投稿する。確かに、この1年間は、薄膜弾性壁Phantomの作製に時間を要したが、2D-PIV による瘤中間面の変形、流体の流れ構造、WSS & WSSG、Flow Instabilityの測定から、弾性壁の瘤淀み点回りのWSSの減衰、WSSGがTensile Force に直接関連して作用する破裂につながる可能性、弾性壁ではPower Spectral Density (PSD)は剛体モデルの10分の1以下に減衰することが示された。CFDによる剛体壁では、瘤内の低壁せん断応力の部位で滞留時間が長くなることが瘤破裂に至る。これらの結果は5件の国際会議、2件の国内会議で発表されている。現在、完全な3次元PIV 計測を実施する段取りをしており、これがなされれば伸縮する薄膜弾性脳動脈瘤内の流れの挙動、進展、破裂に至る概念を大きく変換する提案が可能となる。例えば、弾性壁はWSSを緩和するか？Tensile Force (WSSG)への影響は？Flow Instability の減衰率する可能性は？など、多くの課題を解決し、この分野で新しい概念を提供できる。同時に、上述の解明は弾性壁瘤のFSI解析で、弾性と剛体壁モデルを比較することにより、実験の妥当性を確立できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現有のStereo PIV は、基本的にsemi 3D PIV で、校正が難しい。来年度は、Full 3D PIVにより、薄膜弾性脳動脈瘤の変形、WSS、WSSGに直接関連する張力、弾性によるFlow instability の減衰率、動脈瘤の破裂に至る RRT の評価など、新知見となる各種の物理量の解明が可能である。焦点は、ヨウ化ナトリウムとグリセリン水溶液からなる作動流体、Phantom SiliconeとアクリルBathの屈折率を合致させ、さらに４つのCCDカメラからなるPIV System により、流速、壁変形を同時に測定できる。同時に、流体構造流体解析FSI によりこれらの現象を詳細に解析することにより、実験と比較検討することにより、革新的な進歩につながる。さらに、一般に動脈瘤等の血管病変患者の血管は、弾性率が健常者の2～3倍になることを考慮して、代表者が確立した壁厚0.2 mm として、健常者の血管壁弾性率E= 0.7 MPaに加え、E= 1.0～3.0 MPa と変化させて、これらの現象を解明する。
これらの改善により、上述の弾性壁はWSSを緩和するか？Tensile Force (WSSG)への影響？Flow Instabilityを如何ほど減衰させられる可能性？など、これまで剛体壁で行われてきた概念を根本的に見直すことが可能となる。
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| Causes of Carryover |
ほぼ、７万円程度の繰越金が生じたが、実験上の都合で試薬、溶液の納入が間に合わなかったため。来年度に使用します。
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