2021 Fiscal Year Research-status Report
高精度かつ高速な呼吸系気流シミュレーション手法の開発
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20K11852
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
陳 献 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (70313012)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平野 綱彦 山口大学, 医学部附属病院, 准教授 (00382333)
Jiang Fei 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (60734358)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 呼吸シミュレーション / 生体力学 / 流体構造連成解析 / 有限要素法 / 格子ボルツマン法 / GPGPU |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的である高精度かつ高速な呼吸系気流シミュレーション手法の開発に向けて、まず、昨年度で開発した肺の変形に伴う気管支気流の流体構造連成解析手法にGPGPUを導入した高速計算手法を開発した。本手法では、有限要素法と格子ボルツマン法を強力に結合するために、分割された反復ソリューションを採用し、数値安定性を向上させるために、Aitken動的緩和アルゴリズムで固定小数点反復法を使用している。流体と構造物の間の相互作用を表すために、サブ反復スキームを使用した多方向強制埋め込み境界法が採用されている。開発した手法は、大規模な連立一次方程式を解く必要がなく、並列計算に適しているため、GPGPUの並列実装が可能となり、これにより、計算速度が18倍以上向上でき、高精度かつ高効率な肺内気流の連成解析を実現した。次に、気管支に関しては流体構造連成解析（３D）、細気管支に関しては管内気流解析（１D）、肺実質微細構造に関しては多孔質体内気流解析（０D）を行い、各スケール間は運動量保存と質量保存に基づいて接続される高精度マルチスケール気流解析手法を開発した。また、本研究では気管支生成アルゴリズムによって作製した一次元気管支に加え、複雑な流れ場になる気道付近の気管支を三次元モデルに置き換えた上で肺モデルと結合し、より臨床的に適切なモデル構築をした。さらに、呼吸における肺の変形に重要な役割を果たす横隔膜に対して、間質性肺炎、喘息、気管支拡張症患者、慢性閉塞性肺疾患の患者別横隔膜モデルを作成し、各疾患における横隔膜の動態解析を行い、横隔膜の形態と肺活量などの呼吸生理データとの関係を解析し，新たな呼吸機能評価指標を開発することを試みた。
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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
R3年度の研究では、有限要素法による変形解析と格子ボルツマン法による気流解析を連成した構造流体連成解析手法にGPGPUに適したアルゴリズムを開発し、高精度マルチスケール気流解析を実現した。また、開発した解析手法のワークステーションへの実装も進めている。よって、R3年度に設定している目標は達成している。
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| Strategy for Future Research Activity |
R4年度では、CT画像を基に肺と気管支を含む呼吸系モデルを構築し、呼吸シミュレーションを行い、臨床上実用的、高速かつ高精度呼吸系シミュレーション手法を完成させる。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの感染拡大で、予定していた国際会議や国内学会に参加することができなくなり、これらの旅費が次年度使用額が生じた一つの原因である。また、R2年度の遅れの影響で、CT画像を基に肺と気管支を含む呼吸系モデルの構築に使用する画像処理用ワークステーションの導入をR4年度に調整したことはもう一つの原因である。R4年度では積極的に国際会議及び国内学会に参加し、情報交換や成果発表を行う予定である。また、CT画像を基に肺と気管支を含む呼吸系モデルを構築するため、画像処理用ワークステーションを導入する予定である。
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