非ニュートン性の複雑血流場における血液粘度場推定

• 研究課題/領域番号: 21K18056
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分90110:生体医工学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 門脇 弘子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 産総研特別研究員 (30781330)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2021年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 血液粘度場 / 頸動脈分岐部 / 超音波診断装置 / 脈動ポンプシステム / 血液粘度 / 非ニュートン流体 / 計測融合解析 / 超音波診断 / 流動実験

研究開始時の研究の概要

血液粘度は動脈硬化の発症要因である血行力学作用として注目されている。近年、生体内の血液粘度評価に対する試みがなされているが、血液粘度の空間分布を再現する方法はない。複雑血流場の血行力学の構造的変化を評価する上で重要な血液粘度場が再現できれば、動脈硬化の新たな診断指標となりうる。本研究では、動脈硬化の好発する頸動脈分岐部を対象として、非ニュートン性の複雑血流場における血液粘度場推定を目的とする。3次元超音波計測融合血流解析により血流場を再現し、速度勾配と血流特性に対応する血液粘度を更新しながら超音波計測情報に対する速度誤差を最小化するよう反復計算を行うことで血液粘度場を推定する方法を提案する。

研究実績の概要

本研究は、超音波ドプラ速度を数値計算にフィードバックして血流場を再現する超音波計測融合解析により、複雑血流場の血行力学の構造的変化を評価する上で重要な血液粘度場を再現することを目的とした。3次元超音波計測融合(3D-UMI)血流解析により解析対象の血流場を再現し、速度勾配と血流特性に対応する血液粘度を更新しながら超音波計測情報に対する速度誤差を最小化するよう反復計算を行うことにより、非ニュートン性の複雑血流場における血液粘度場を推定する方法を提案する。令和３年度は、数値実験によるアルゴリズム構築に向けて、CT計測データより構築した頸動脈分岐部モデルより3次元数値流体解析を実行することと、流動実験解析における2D-UMI血流解析の頸動脈分岐部モデルの実流れに適用するための基盤開発を実施した。
数値実験によるアルゴリズム構築では、CT計測データより構築した頸動脈分岐部の内腔形状を用いて拍動流の3次元数値流体解析を実行して数値解を生成した。流動実験解析においては、血管粘弾性特性推定の研究課題において検証したデータ処理方法を用いた拍動実験システムの構成を検討した。構成装置は、超音波診断装置(CX-50, Philips)およびリニアプローブ、リザーバタンク、制御用PC、脈動ポンプシステム(ALPHA FLOWEC-2、フヨー)、流量計、頸動脈分岐モデルとした。
本研究により、数値実験によるアルゴリズム構築と実流れに対する検証実験を推進していくためのモデル選定や実験環境が整った。