2014 Fiscal Year Research-status Report
医用画像に基づくバイオトランスポート解析による鼻腔形成手術アセスメント
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26630059
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
田中 学 千葉大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20292667)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 生物・生体工学 / 流体工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，極めて複雑かつ微細な３次元形状を特徴とする鼻腔内の流れと熱物質輸送を，医用画像の直交格子を直接利用して簡易に解析する手法を確立し，鼻腔の嗅覚機能，吸入空気の加温・加湿機能，及び異物除去機能を評価する新規の鼻腔形成手術アセスメントを提案・実現することを目的とする．
本年度は，医療用CT及びMRI画像から3次元実形状鼻腔モデルを作成してボクセル格子法を用いた鼻腔内熱流動解析を実施し, モデル形状及び流れ場と温度場の解析精度を調査した．ボクセル格子法は, 境界適合格子と非構造格子を組み合わせる従来法と比較すると, 格子生成に掛かるコストが大幅に削減されるが, 形状近似精度や境界層の解像度などに問題が生じる．ボクセルピッチを変化させた際に鼻腔壁面近くの形状, 境界層の解像度が流れ場と温度場に及ぼす影響を考察した結果，ボクセルピッチを0.10～0.20mmまで細分化することにより，鼻腔内気流の圧力損失及び温度上昇を比較的精度よく再現可能であることを明らかにした．
また，粗い解像度の画像を用いた場合の鼻腔壁面の凹凸を平滑化するため，流路と鼻腔壁面の境界に画像補間を施し，ボクセル熱流動解析における画像補間の有効性について検討した．その結果，横断面画像をボクセルピッチと同程度の解像度で二次元線形補間することにより，画像の解像度が粗い場合でもボクセル格子法により従来の境界適合格子法と同等に圧力損失及び温度上昇を再現可能であることを明らかにした．
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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
鼻腔形成手術前後のX線CT及びMRI画像から３次元鼻腔モデルを構築して，実際の呼吸を模擬した流動条件下で，熱物質輸送のボクセルシミュレーションを実施することが出来た．
また，ボクセルピッチの細分化及び横断面画像の二次元線形補間により，画像の解像度が粗い場合でもボクセル格子法により従来の境界適合格子法と同等に圧力損失及び温度上昇を再現可能であることを確認出来た．
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| Strategy for Future Research Activity |
医用画像から3Dプリンタにより鼻腔モデル流路を作成して，呼吸流量を模擬した非定常往復流の流動可視化実験を行い，解析結果を検証する．本研究では，加速・減速を伴う呼吸往復流れにおいて，流れの不安定性や乱れがどのような部位・流動条件で発生するかを呼吸数及び一回換気量を変化させて調査し，流れの状態安定図を作成する．流れの不安定性や乱れは鼻腔の各機能に重要な影響を及ぼすため，実験で得られた流動状態を解析の流動モデルに反映させる必要がある．
また，鼻腔内に吸入された異物浮遊粒子の挙動についても調査するため，蛍光染料を吸着させた石松子（花粉とほぼ同じ大きさ，形状，密度を持つ胞子の一種）をトレーサーに用いてその軌跡を可視化する．解析では球状粒子の運動方程式を流れの式と連成せずに解くことにより粒子軌跡を算出する計画であるが，結果の妥当性を石松子の可視化挙動と比較して検討する必要がある．
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Research Products
(6 results)
