2019 Fiscal Year Research-status Report
数値流体力学によるシミュレーションを用いたオーダーメイド動注化学療法の開発
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19K19240
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| Research Institution | Yokohama City University |
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Principal Investigator |
北島 大朗 横浜市立大学, 医学研究科, 客員研究員 (50817351)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 口腔癌 / 抗癌剤 / 動注化学療法 / シミュレーション / 数値流体力学 / 外頸動脈 / 舌動脈 / 顔面動脈 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度は外頸動脈に共通幹を有する口腔癌患者の医用画像から解析モデルを作製し，抗癌剤の分布について流体解析を行うことに成功した。その概要を以下に示す。
舌・顔面動脈の共通幹を有する口腔癌患者のCT angiographyのDICOMデータをMimics （Materialize Japan）にインポートしThresholding method，Region growing methodを用いて解析対象領域を抽出した。解析領域は総頸動脈，内頸動脈，外頸動脈と外頸動脈の分枝（上甲状腺動脈，舌・顔面動脈の共通幹および舌動脈と顔面動脈，後頭動脈，顎動脈，浅側頭動脈，これらのほかにも造影CTで抽出されていた分枝は解析領域に含めた）とした。同データをSTLに変換して，さらにそこにSTLでデザインした円柱状の模擬カテーテルをBoolean演算により組み込み，共通幹内にカテーテルが留置された状態を再現した。STLデータをICEM CFD（Ansys Japan）にエクスポートしメッシュを作製した。ICEM CFDでは申請者が先行研究（Kitajima H,Biomed Eng Online,16,2017）で用いたメッシュ作製法を用いてTetra-prismメッシュを付与することが可能であり，Prism層は７層付与した。メッシュデータをAnsys FLUENTにエクスポートして化学種輸送解析を用いて共通幹内の抗癌剤の分布のシミュレーションを行った。出口境界条件には研究実施計画で述べた「末梢血管0D（ゼロ次元）モデル」を適用することで患者個別の生理的な血流を再現した。シミュレーションで得られた結果では舌動脈と顔面動脈の間で「抗癌剤の分配比」は「血流の分配比」とは乖離がみられ，共通幹内の抗癌剤の流れは舌・顔面動脈間の「血流量」ではなく「血液の流れ場」に支配されていることが分かった。
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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
舌・顔面動脈の共通幹を有する口腔癌患者の造影CT angiographyのDICOMデータをSTLに変換して，STLでデザインしたカテーテルを組み込み，解析モデルを作成した。舌動脈・顔面動脈の分岐点から，共通幹の中心線に沿って2㎜毎にカテーテル先端の位置を変化させて各患者に対して解析モデルを複数作成した。ICEM CFDでTetra-prism meshを付与した。なお，Prism層は申請者の先行研究と同様に７層付与することが可能であった。MeshデータをFLUENTにエクスポートして化学種輸送解析を用いて抗癌剤の分布について流体解析を行った。評価項目は「カテーテル先端における抗癌剤の質量を100％としたときの外頸動脈の各分枝の抗癌剤の分配比」，「総頸動脈入り口における血液の質量を100％としたときの内頸動脈と外頸動脈の各分枝の分配比」とした。それらに加えFLUENTに実装されているEXECUTE_ON_DEMAND関数を用いて各解析モデルのカテーテル近傍，舌動脈内，顔面動脈内の抗癌剤の濃度勾配を算出した。
その結果，共通幹内でカテーテル先端の位置が変わると抗癌剤の分配比が変化する解析モデルと，変化しない解析モデルが見られた。共通幹内のカテーテルの位置を変化させても顔面動脈への抗癌剤の分配比が常に100％になる血管形状も存在した。いずれの解析モデルにおいても抗癌剤の分配比と血液の分配比は一致していなかった。さらに，抗癌剤の濃度勾配はどの解析モデルにおいてもカテーテル近傍で高くなっていた。
これらの結果から，共通幹内の抗癌剤の挙動は共通幹内の血液の質量（流れる量）ではなく，血液の流れ場（どのように流れるか）により支配されることが分かった。
本年度は以上の点まで解明することができたため，順調に進展していると評価した。
なお，本知見は2020年度に学術雑誌において発表を予定している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度の研究により，舌・顔面動脈の共通幹内の抗癌剤の挙動は「共通幹内のカテーテル近傍の血液の流れ場」により規定されることまで解明された。2020年度は本知見を学術雑誌へ投稿する。今後の研究では具体的に共通幹内で「どのような血液の流れ場」が存在するときに抗癌剤が「どう分配されるか」，その関連性について引き続き検証する。
流れ場のパラメータとしては血液の速度勾配や渦度（Vorticity）などが挙げられる。これらと抗癌剤の濃度勾配や分配比との関連性を見出す。さらに，「共通幹内の血液の流れ場」の上位支配因子は「共通幹の形状」ひいては「外頸動脈の形状」となっていると思われるため，各患者の血管の分岐角や直径などの形状パラメータを計測して抗癌剤の分配比への影響を検証する。また，2019年度の成果から，本研究の解析は予想よりも小さい解析コスト（必要メモリや解析時間）で実行可能であることが分かった。当初は共通幹を解析対象領域に含めることでメッシュ数が増え，独立分岐の形状の場合よりも解析コストが膨大になると予測していたが，解析時間は２時間程度，メッシュ数は数百万，容量として一頸動脈で数百ギガバイトであり，解析領域を拡張する余地は十分にある。共通幹の症例に限らず，口腔癌治療において重要である顔面動脈と顎動脈の分枝まで含めたモデルの解析も可能と思われる。顔面動脈の分枝は上行口蓋動脈，扁桃枝，オトガイ下動脈．下唇動脈，上唇動脈，外側鼻動脈，眼角動脈などがあり，顎動脈の分枝は下顎枝部，翼突部，翼口蓋部の３部に亘って顎顔面の広範囲に分布している。これらの分枝内の抗癌剤の挙動まで解析できれば新たな知見となり，口腔癌の治療戦略の一助になる。さらに患者の造影CT angiographyの解像度が良好で頸部のリンパ節へ向かう血管まで描出されている場合はリンパ節への抗癌剤分配まで予測可能と思われる。
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| Causes of Carryover |
2019年度の研究においては外頸動脈から舌動脈と顔面動脈の共通幹が分岐する血管形状を対象とした解析を行った。一般に共通幹の直径は舌動脈や顔面動脈がそれぞれ独立して分岐する場合と比較してそれらの直径よりも大きい。申請者の先行研究では全ての外頸動脈の分枝が独立に分岐している形状に限って解析を行っていたため，研究計画立案当初はそれと比較して本研究では計算のコスト（必要メモリ数，計算時間）が増大するものと見込んでいた。そのために複数のCPUを用いて解析領域を分割する並列計算（Parallel computing）を利用することを前提としていた。
当初の2019年度の予算はParallel computingのための新規のワークステーションの購入を計画したものであった。しかし，実際に共通幹の血管形状に対して解析をしてみたところ1台のワークステーションで解析モデルの作製から結果の可視化まで含めて実行可能であり，計算コストの増大は許容範囲であることが分かった。当初予定していたワークステーション及びモニターを購入しなかったため，その分の経費は次年度使用額として，次年度のANSYS Workbenchのライセンス更新に充てる。
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[Journal Article] Tuning of Titanium Microfiber Scaffold with UV-Photofunctionalization for Enhanced Osteoblast Affinity and Function2020
Author(s)
Iwasaki Chika, Hirota Makoto, Tanaka Miyuki, Kitajima Hiroaki, Tabuchi Masako, Ishijima Manabu, Park Wonhee, Sugita Yoshihiko, Miyazawa Ken, Goto Shigemi, Ikeda Takayuki, Ogawa Takahiro
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Journal Title
International journal of molecular sciences
Volume: 21
Pages: 738
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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