2020 Fiscal Year Research-status Report
A Study on Blood Flow Rebalancing and Thrombosis Formation Caused by Patent Ductus Arteriosus
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19K04181
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| Research Institution | Gifu National College of Technology |
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Principal Investigator |
山本 高久 岐阜工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (10345960)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 数値流体力学解析 / 血行動態 / バイオ流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在、左心室低形成症候群等の重度な先天性心疾患に対しては、症状の緩和を主眼とした姑息手術(Norwood 手術、Glenn 手術など)を行い、その後、患児の成長を待ち、根治手術 (Fontan 手術など) が行われている。これら手術は6時間以上にも及ぶことがあり、生後間もない患児には大きな負担となっている。そこで近年、動脈管開大(以下、PDA)を目的とした PDA ステントグラフト内挿術が注目を集めている。
同術は動脈管(大動脈と肺動脈とを繋ぐ小さい管)にステントを挿入することにより、肺に過大流入する血液の一部を全身へと迂回(血流のリバランス)させるもので、姑息手術の代替術として実施されている。本手術のメリットは大きいものの、ステント挿入により血栓が形成されるという症例報告もなされている。PDAステントグラフト内挿術の術後コントロールの改善、PDAステントグラフト用の血栓抑制ステントの開発を進める上で、動脈管開大による大動脈-肺動脈間の血流のリバランスメカニズムならびに動脈管まわりの血行動態を詳細に明らかにすることは必要不可欠と考えられる。
そこで本研究では、大動脈-動脈管-肺動脈系の生体模型を製作、PIV 可視化実験を行うとともに、数値流体力学(CFD)解析を行い、細管(動脈管)を介した二つの拍動流(大動脈と肺動脈)の相互作用、動脈管開大による血流のリバランスのメカニズムを実験的ならびに理論的に解明する。その上で、動脈管における血栓生長メカニズムを明らかにし、血栓成長の予測モデルを構築する。本研究を通して、個々の患児に最適化した動脈管ステントの開発が実現可能になるものと考えている。研究２年目である本年は、患者データを基に形状が異なる肺動脈-動脈管-大動脈系３次元モデルを構築し、CFD解析により大動脈、肺動脈の拍動の相互干渉特性を明らかにした。
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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
肺動脈-動脈管-大動脈の接続角度、形状が異なる患者データ３症例を基に肺動脈-動脈管-大動脈系の３次元モデルを新たに作成した。これらモデルに対し、正常な肺動脈、大動脈の拍動データを適用したCFD解析を行い、大動脈、肺動脈の拍動の相互干渉特性を明らかにした。なお、解析に際しては血液をニュートン流体として扱い、連続の式、ナビエストークス方程式を解いた。これら支配方程式の離散化では、時間項には後退差分、対流項には二次風上差分、拡散項には中心差分法を適用した。また、乱流モデルにはLESモデル・WALEモデルを用いた。その結果、収縮期において動脈管内に旋回渦が形成されることが明らかになった。また、乱流の第二不変量であるQ値を求めたところ、動脈管内での渦形成が顕著であること、大動脈側出口近傍に滞留場が形成されやすいことが明らかになった。本年は正常な拍動流データ下の解析を行ったが、次年度は左心低形成症候群を想定した非定常解析を行い、血栓成長リスクを定量的に明らかにする。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、大きく以下の三項目について研究を遂行する。
1) PIV計測データとCFD解析結果との比較によるCFD解析の高精度化：これまでに得たPIV計測データならびにCFD解析では、現在の実験装置の制約上、完全なる同一条件下での実験、解析が困難であった。そこで解析条件ならびに境界条件のあわせ込みをしつつ、乱流モデルであるLESモデルのチューニングを行う（前年度から継続）。
2) 拍動パラメータ（流量条件及び大動脈流、肺動脈流との位相差）が肺動脈-動脈管-肺動脈系の血行動態に及ぼす影響の評価：CFD解析をベースとして、肺動脈流、大動脈流の流量差、及び位相差が同領域の血行動態(血流速、拍動、Q値、壁面剪断応力)に及ぼす影響を明らかにする。今年度は形状の異なる３つのモデルについて正常な拍動流条件下の血流量とQ値との相関を明らかにした。本年度は左心低形成症候群を想定した拍動流条件を与えた際の、拍動パラメータと壁面せん断応力との関係を明らかにする。壁面せん断応力は次で述べる血栓成長リスク評価に用いる。
3) 血栓成長リスクの評価：肺動脈-動脈管-大動脈系における血流速度データ、Q値データならびに壁面せん断応力データを用い、血栓成長のリスクの評価を行う。先行研究により低壁面せん断応力の領域にて、炎症性遺伝子のアップレギュレートが生じ、血栓の成長が促進されることが示されている。本研究では拍動流を対象としていることから時間平均化したQ値、壁面せん断応力を求め、これらが低い領域を特定する。これにより血栓成長リスクを有する領域を数値化する。これら血流のリバランス特性や血栓成長リスクのデータは動脈管ステント設計・開発に役立つものである。
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| Causes of Carryover |
当初、肺動脈-動脈管-大動脈系の生体（シリコン製）模型を作成し、同領域の血流を模擬した流れの可視化実験を行う計画でいた。しかしコロナ禍の影響で、生体模型製作の発注が困難になり、また、実験自体も学内の感染対策で実施が困難であった。その代替として、患者データを基にした形状が異なる肺動脈-動脈管-大動脈系の三次元モデルを構築し、非定常数値流体力学解析により血流の相互干渉を評価した。次年度はこれらモデルを製作し、流れの可視化実験をCFD解析と併せて行う計画である。
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Research Products
(1 results)
