2013 Fiscal Year Annual Research Report
病的肺リモデリングメカニズムの解明に向けたマルチスケールメカニクス解析
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24240073
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
和田 成生 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (70240546)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮崎 浩 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (00263228)
世良 俊博 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40373526)
伊井 仁志 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50513016)
越山 顕一朗 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (80467513)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / 肺呼吸 / マルチスケールメカニクス / マイクロCT / 数値流体解析 / 流力音 / 呼吸音 / リモデリング |
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| Research Abstract |
昨年度に開発したCT画像から肺細葉を抽出するアルゴリズムを用いて，マウス肺細葉の形態計測を行った．3匹のマウスから抽出した11か所の1本の終末細気管支につながる肺細葉クラスタ（総計120個の肺細葉）の形態を統計的に分析し，肺細葉の構造と配置関係を明らかにした．この計測結果に基づいて実形状に近い肺細葉構造モデリングができるように，前年度までに構築した肺細葉不均質構造モデルを改良した．これにより肺細葉構造の不均質性および肺微小循環を考慮した肺細葉内酸素拡散解析を行い，肺細葉の不均一構造とガス交換機能との関係を明らかにした．一方，ハード面の構築が完了したマイクロCT装置の開発では，Feldkamp法による3次元画像再構築ソフトを導入し，数十μmの分解能で3次元形態計測が可能であることを確認した．
異常呼吸音の再現およびそのメカニズム解明を目指し，狭窄を有する気管の理想形状モデルを用いた数値流体解析を行った．支配方程式に微圧縮性の仮定を用いる事で低マッハ数(<0.1)および中程度レイノルズ数(~2000)の流れ場における圧力変動を再現した．狭窄部有無の気管を想定した直管の片側から空気を流入し，それぞれ遠方場での圧力変動を測定した結果，管長および解析サイズに関連する共振周波数が見られ，狭窄部による流れの乱れが幅広い周波数帯の圧力擾乱を増加させることが定量的に確認できた．また，理想化された気道の分岐管モデルを用いて流体音計測も行い，狭窄部でのレイノルズ数が2000を超えると測定可能な流体音が発生することが分かった．また，動物実験により，気管支喘息による気道リモデリングに伴う呼吸音の変化を動物実験で調べ，モデル実験および数値流体解析の結果と比較検討した．
この他，肺組織の変形に伴う細胞の力学状態を推定するための計測と計算シミュレーションのデータ同化手法の開発，コレステロールを含有したリン脂質二重層膜の変形動態の解析を行った．
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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
当初の計画通り，肺の３次元微細構造の計測と形態モデルの構築および肺胞空間のマクロな力学場の解析が可能となった．気道系末梢に位置する肺細葉の構造は，報告されているデータ数が少なく不明な点が多かったが，本年度は統計的分析が可能な程度のサンプル数を集めることができ，不均一かつ多様な形態を再現する数理モデルに反映させることにより，肺細葉内部の構造と機能との関係を明らかにできた．また，これらの結果と昨年度までに提案した細胞スケール，分子スケールのモデリングとを統合することにより，肺内部のマルチスケールな力学環境を詳細に再現することができようになった．さらに，本年度は，肺組織の変形に伴う細胞の力学状態を推定するための計測と計算シミュレーションのデータ同化手法を開発し，シミュレーションによるマルチスケール解析の妥当性の検証を行えるようにした．
肺微細構造の形態計測のための自作のマイクロCT装置に関しては，ソフト面の開発を強化し，コーンビームの影響を考慮した３次元の画像再構築が可能となり，これを用いて動物肺の内部構造を計測できるようになった．
病的肺リモデリング現象としては，気管支喘息による気道リモデリングを取り上げ，それによる呼吸音の変化に着目した研究を展開した．実験および数値流体計測により，気道の狭窄と気流音の発生との関係を明らかにし，発生する気流音の特徴を検知することにより，喘息発作の予兆をとらえる可能性が示唆された．
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| Strategy for Future Research Activity |
マイクロX線CT計測による肺細葉の形態計測は引き続き実施し，さらなるデータの収集を目指す．これと数理モデリングおよび計算力学解析を組み合わせることにより，肺細葉の構造のばらつきが，酸素分圧のような物理量の分布および酸素吸収量で代表されるガス交換機能の分布にどのように反映されるのかを明らかにし，物理現象を介した肺細葉の構造と機能との関係解明を試みる．
肺のガス交換機能には肺循環系の構造も関与しており，肺循環血管系の詳細な形態計測や血流およびそれにガス交換モデルの構築が必要である．また，ミクロスケールでは，肺胞毛細血管で，酸素を取り込み，炭酸ガスを排出する個々の赤血球の挙動も理解する必要がある．今後は自作のマイクロX線CT装置でこうした肺循環系の計測も行い，肺循環系における血流とガス交換のモデリングを強化していく予定である．
肺組織と細胞の変形解析においては，開発中のデータ同化手法を用いて，細胞力学実験と計算力学シミュレーションを組み合わせたアプローチでモデルの妥当性を示していく予定である．また，個々のスケールや要素では検証が難しい場合もあるので，これらのモデルを統合したマルチスケールシミュレーションを実行し，肺全体のふるまいから個々の要素を帰納的に同定するアプローチも取り入れていく予定である．
呼吸音解析に関しては，実形状モデルと単純化モデルを用いた実験と数値流体シミュレーションを行い，呼吸音の発生メカニズムと伝播特性を明らかにしていく．これと同時に動物実験を行い，気管支喘息による気道リモデリングにより，どのような呼吸音の変化が現れるのかを工学的に解明し，喘息の予兆を検知する臨床研究に応用する．
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