生体内で形成された大動脈弁移植用組織体の計算流体力学的手法による形状最適化

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K20174
• Research Institution: Asahikawa Medical College
• Principal Investigator: 寺澤 武 旭川医科大学, 医学部, 講師 (20815401)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 心臓弁形状三次元モデリング / 頚動脈血行動態評価 / 生体内組織形成術

Outline of Annual Research Achievements

2020年度は、数値流体力学的手法による自己組織から成る心臓弁様組織体グラフトの形状最適化に向け、次の2点について進捗した。
1. 心臓弁形状の三次元モデリング法及び生体内組織形成用の「鋳型」設計手法の確立
自己組織心臓弁の形状設計に関し、心臓弁形状を代表する設計パラメータを次の弁輪径・弁長・交連部高・弁葉角・弁厚の５パラメータとした。これらパラメータに基づき非一様有理スプライン曲線による補間により心臓弁形状を三次元表現するパラメトリックモデリング手法を構築した。モデリングされた心臓弁形状を自己組織で形成するための生体内組織形成術に用いる「鋳型」設計手法を確立しCADでモデリングし3Dプリンタで造形を行うことで、心臓弁様組織体グラフト形成用「鋳型」を実現した。
2. 心臓弁様グラフトの血行動態評価系の構築
心臓弁様組織移植後の血行動態を評価をin silicoで実現するため、解析ソルバの新規導入を図り解析システムを構築した。システム検証を目的とし、先行研究で実施された頚動脈部位の流体力学的解析の再現実験を実施した。血管径を考慮しニュートン流体を仮定した血液モデルに、血液粘度・密度を設定し境界層を5層とした条件にて解析を実施したところ、
外頚動脈球部外側での渦流の発生、血流が停滞する現象を再現できた。これをもって解析システム基盤構築とし、心臓弁グラフトのin silicoでの解析・評価基盤を確立した。以上、心臓弁様形状設計及び、その形状を実現する自己組織グラフト作製用「鋳型」のモデリング手法を開発し、形成組織体の材料力学的・流体力学的評価に繋げた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究代表者自身に研究組織の異動があり一時進捗が停滞したが、組織異動後に挽回し当初予定していた水準に到達することができた。

Strategy for Future Research Activity

流体-構造連成解析での移植グラフトの形状最適化を行うための、構造計算に用いる材料特性パラメータを決定する必要がある。大動物（ヤギ）の皮下にこれまで作成した「鋳型」を留置することで、その内部に形成された心臓弁様組織体に対して引張試験を実施し材料特性を調べる。
自己組織心臓弁グラフトの形状最適化演算に必要となる血行動態に関する評価関数を作成し流体解析データの解析を進める方針である。