| 研究概要 |
ヒトの肺は,気管から末端の肺胞に至るまで分岐管の集合により構成されている.流路の一方の端(肺胞)は行き止まりであるにもかかわらず,肺は酸素と炭酸ガスの極めて効率良いガス交換を実現している.従来,流路軸方向のガス交換に寄与する因子として,(1)Taylor拡散,(2)streaming,(3)二次流れ,が挙げられているが,本研究代表者らが流れの挙動をより詳細に観察した結果,吸気・呼気いずれの場合にも,各分岐曲がり部での「はく離域の発生・消滅」とそれによる流体の「捕捉・放出」効果が,流路軸方向物質交換の基本機構であることがわかった.上述の物質交換過程は,実際の人肺においても生じていると推測されるが,本研究は,それをより実際に近い条件において定量的な観点から検証かつ解析し,ヒトの肺の気管支内におけるガス交換機構を工学的見地から明らかにすることを目的とする.
流れの可視化実験および物理モデルの構築(担当望月)ヒトの肺を模して,3次元的に分岐するガラス製テストセクションを新たに製作し,通常呼吸および人工呼吸法のひとつである高頻度呼吸を再現する脈動周波数範囲での実験を行い,以下のことが明らかになった.(1)3次元流路でも「捕捉・放出」効果が生じている.(2)分岐上流部での流れの非対称性が影響を及ぼし,物質輸送速度が速い経路が存在する.(3)その経路は連続する分岐管軸方向の相対位置関係によって変化する.
数値シミュレーション(担当村田)3分岐4世代の分岐管内非定常振動流と物質拡散の有限体積法による数値解析を行った.3通りの分岐角度での計算を行い,剥離泡の大きさと物質移動量の間には相関があり,最適な分岐角度の存在が示唆された.剥離泡の役割としては「捕捉・放出」効果による物質輸送促進と流路面積減少による流体加速の2つの効果が観察された.
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