計算生体力学による微小循環系の細胞の機能と環境の相互作用の解明

• 研究課題/領域番号: 24680048
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 研究分野: 医用生体工学・生体材料学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 今井 陽介 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (60431524)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 26,780千円 (直接経費: 20,600千円、間接経費: 6,180千円); 2014年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2013年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2012年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円)
• キーワード: バイオメカニクス / 計算力学 / 赤血球 / 細胞 / GPU計算

研究成果の概要

微小循環における赤血球や白血球など細胞の流動および接着現象を計算機上に再現するため，細胞質・血漿の流体力学，細胞膜の固体力学，接着タンパクの結合を連立し，グラフィックスカードを用いて高速計算する手法を開発した．赤血球の大規模流動によって生じる赤血球の変形や見かけの粘度を定量化し，白血球やがん細胞の微小血管内の流動，血管壁上の回転運動および定常接着を解析した．

研究成果

• [雑誌論文] Deformation of a spherical capsule under oscillating shear flow (2015)
  • 著者名/発表者名: Daiki Matsunaga, Yohsuke Imai, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 762 ページ: 288-301
  • DOI: 10.1017/jfm.2014.649
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hemodynamics in the microcirculation and in microfluidics (2015)
  • 著者名/発表者名: Omori, T., Imai, Y., Kikuchi, K., Ishikawa, T., Yamaguchi, T.
  • 雑誌名: Annals of Biomedical Engineering 巻: 43 号: 1 ページ: 238-257
  • DOI: 10.1007/s10439-014-1180-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Leukocyte margination at arteriole shear rate (2014)
  • 著者名/発表者名: Takeishi, N., Imai, Y., Nakaaki, K., Yamaguchi, T., Ishikawa, T.
  • 雑誌名: Physiological Reports 巻: 2 号: 6 ページ: e12037-e12037
  • DOI: 10.14814/phy2.12037
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hydrodynamic interaction between two red blood cells in simple shear flow: its impact on the rheology of a semi-dilute suspension (2014)
  • 著者名/発表者名: Omori, T., Ishikawa, T., Imai, Y., Yamaguchi, T.
  • 雑誌名: Computational Mechanics 巻: 54 号: 4 ページ: 933-941
  • DOI: 10.1007/s00466-014-0997-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lateral migration of a spherical capsule near a plane wall in Stokes flow (2014)
  • 著者名/発表者名: Stephanie Nix, Yohsuke Imai, Daiki Matsunaga, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 90 号: 4 ページ: 048009-048009
  • DOI: 10.1103/physreve.90.043009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A full GPU implementation of a numerical method for simulating capsule suspensions (2014)
  • 著者名/発表者名: Daiki Matsunaga, Yohsuke Imai, Toshihiro Omori, Takami Yamaguchi, Takuji Ishikawa
  • 雑誌名: Journal of Biomechanical Science and Engineering 巻: 9 号: 3 ページ: 14-00039-14-00039
  • DOI: 10.1299/jbse.14-00039
  • NAID: 130004678607
  • ISSN: 1880-9863
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Numerical analysis of a red blood cell flowing through a thin micropore (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Omori, H. Hosaka, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 89 号: 1 ページ: 13008-13008
  • DOI: 10.1103/physreve.89.013008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fluctuation of cilia-generated flow on the surface of the tracheal lumen (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kiyota, H. Ueno, K. Numayama-Tsuruta, T. Haga, Y. Imai, T. Ishikawa, T. Yamaguchi
  • 雑誌名: American Journal of Physiology Lung Cellular and Molecular Physiology 巻: 306 号: 2 ページ: L144-L151
  • DOI: 10.1152/ajplung.00117.2013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Separation of motile bacteria using drift velocity in a microchannel (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Ishikawa, T. Shioiri, K. Numayama-Tsuruta, H. Ueno, Y. Imai, T. Yamaguchi
  • 雑誌名: Lab on a Chip 巻: 14 号: 5 ページ: 1023-1032
  • DOI: 10.1039/c3lc51302e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antral recirculation in the stomach during gastric mixing (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.Imai
  • 雑誌名: American Journal of Physiology Gastrointestinal and Liver Physiology 巻: 304 号: 5 ページ: G536-G542
  • DOI: 10.1152/ajpgi.00350.2012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shear-induced diffusion of red blood cells in a semi-dilute suspension (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Omori, T. Ishikawa, Y. Imai, T. Yamaguchi
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 724 ページ: 154-174
  • DOI: 10.1017/jfm.2013.159
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational study on thrombus formation regulated by platelet glycoprotein and blood flow shear (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Kamada, Y. Imai, M. Nakamura, T. Ishikawa, T. Yamaguchi
  • 雑誌名: Microvascular Research 巻: 89 ページ: 95-106
  • DOI: 10.1016/j.mvr.2013.05.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Entrapment of ciliates at the water-air interface (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Ferracci, H. Ueno, K. Numayama-Tsuruta, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 8 号: 10 ページ: e75238-e75238
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0075238
  • 査読あり
• [雑誌論文] Membrane tension of red blood cells pairwisely interacting in simple shear flow (2013)
  • 著者名/発表者名: T.Omori
  • 雑誌名: Journal of Biomechanics 巻: 46 号: 3 ページ: 548-553
  • DOI: 10.1016/j.jbiomech.2012.09.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shear-induced diffusion of red blood cells in a semi-dilute suspension (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Omori
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantification of red blood cell deformation at high-hematocrit blood flow in microvessels (2012)
  • 著者名/発表者名: D. Alizadehrad
  • 雑誌名: Journal of Biomechanics 巻: 45 号: 15 ページ: 2684-2689
  • DOI: 10.1016/j.jbiomech.2012.08.026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational analysis on the mechanical interaction between a thrombus and red blood cells: Possible causes of membrane damage of red blood cells at microvessel (2012)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Kamada, Yohsuke Imai, Masanori Nakamura, Takuji Ishikawa, Takami Yamaguchi
  • 雑誌名: Medical Engineering and Physic 巻: 34 号: 10 ページ: 1411-1420
  • DOI: 10.1016/j.medengphy.2012.01.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tension of red blood cell membrane in simple shear flow (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Omori
  • 雑誌名: Phisical Review E 巻: 86 号: 5 ページ: 56321-56321
  • DOI: 10.1103/physreve.86.056321
  • 査読あり
• [学会発表] Rheology of A Red Blood Cell Suspension Computing with A Boundary Element-Finite Element Coupled Method (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Omori, Y. Imai and T. Ishikawa
  • 学会等名: The 18th International Conference on Finite Elements in Flow Problems
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 2015-03-16
  • 招待講演
• [学会発表] Rheological analysis of capsule suspensions containing different size capsules (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, Y. Imai, D. Matsunaga, T. Omori, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: 11th World Congress on Computational Mechanics
  • 発表場所: Barcelona, Spain
  • 年月日: 2014-07-25
• [学会発表] Numerical Analysis of Capsule Suspensions Containing Two Different siza Capsules (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, Y. Imai, D. Matsunaga, T. Omori, T. Yamaguchi and T. Ishikawa
  • 学会等名: Dynamics of Capsules, Vesicles and Cells in Flow
  • 発表場所: Compiegnue, France
  • 年月日: 2014-07-16
• [学会発表] Rheological analysis of dense capsule suspension under simple shear flow condition (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Matsunaga, Y. Imai, T. Yamaguchi and T. Ishikawa
  • 学会等名: Dynamics of Capsules, Vesicles and Cells in Flow
  • 発表場所: Compiegnue, France
  • 年月日: 2014-07-16
• [学会発表] Margination of large cells in microchannels (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai, N. Takeishi, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: Dynamics of Capsules, Vesicles and Cells in Flow
  • 発表場所: Compiegnue, France
  • 年月日: 2014-07-15
• [学会発表] Multi-scale computational study on the formation and destruction of primary thrombus under the influence of the blood flow and red blood cells (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Kamada, Y. Imai, T. Ishikawa, T. Yamaguchi
  • 学会等名: 7th World Congress of Biomechanics
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2014-07-11
  • 招待講演
• [学会発表] Effect of Shear Gradient and Wall on Capsule Lateral Migration (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nix, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: 7th World Congress of Biomechanics
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2014-07-08
• [学会発表] A numerical simulation on the motion ofmalaria-infected cells in microcirculatory blood flow (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai, A, Ami, T. Yamaguchi, T, Ishikawa
  • 学会等名: 7th World Congress of Biomechanics
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2014-07-07
  • 招待講演
• [学会発表] Rheology of a red blood cell suspension in a simple shear flow (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Omori, Y. Imai, D, Mtsunaga, T. Yamaguchi, T, Ishikawa
  • 学会等名: 7th World Congress of Biomechanics
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2014-07-07
  • 招待講演
• [学会発表] Numerical analysis of hydrodynamic behavior of circulating tumor cells in microchannels (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Takeishi, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: 7th World Congress of Biomechanics
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2014-07-06
• [学会発表] 微小血管内の細胞流動・接着現象の計算力学モデル (2014)
  • 著者名/発表者名: 今井陽介, 武石直樹, 阿見祥久, 山口隆美, 石川拓司
  • 学会等名: 第53回生体医工学会大会
  • 発表場所: 仙台国際センター, 仙台
  • 年月日: 2014-06-26
  • 招待講演
• [学会発表] Rheological analysis of dense capsule suspension under Stokes flow condition (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Matsunaga, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: Advances in Computational Fluid-Structure Interaction and Flow Simulation
  • 発表場所: Tokyo, Japan
• [学会発表] Computational biomechanics of blood flow from cellular to organ scales (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 学会等名: Advances in Computational Mechanics 2013
  • 発表場所: San Diego, California, USA(招待講演)
  • 年月日: 2013-02-26
• [学会発表] Application of GPU computing to physiological flow simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai
  • 学会等名: Advances in Computational Mechanics 2013
  • 発表場所: San Diego, California, USA(招待講演)
  • 年月日: 2013-02-26
• [学会発表] A cellular flow simulation on graphics processing unit (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai, N. Takeishi, A. Ami, T. Ishikawa, T. Yamaguchi
  • 学会等名: 5th International Conference on Coupled Problems in Science and Engineering
  • 発表場所: Ibiza, Spain
  • 招待講演
• [学会発表] GPUを用いた生体流れの計算バイオメカニクス (2013)
  • 著者名/発表者名: 今井陽介
  • 学会等名: GPU Technology Conference Japan 2013
  • 発表場所: 東京
  • 招待講演
• [学会発表] Integrated nano-biomechanics for physiological flow problems (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi, Y. Imai, T. Omori, H. Ueno, K. Numayama-Tsuruta, T. Ishikawa
  • 学会等名: 7th Asian Pacific Conference on Biomechanics
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 招待講演
• [学会発表] A numerical analysis of the rheology of capsule suspensions containing different size capsules (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, Y. Imai, D. Matsunaga, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: 7th Asian Pacific Conference on Biomechanics
  • 発表場所: Seoul, Korea
• [学会発表] Margination of white blood cell in various sizes of circular micro-channel (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Takeishi, Y. Imai, T. Ishikawa, T. Yamaguchi
  • 学会等名: 7th Asian Pacific Conference on Biomechanics
  • 発表場所: Seoul, Korea
• [学会発表] Mechanism of capsule migration near a plane wall (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Nix, Y. Imai, D. Matsunaga, T. Ishikawa, T. Yamaguchi
  • 学会等名: 7th Asian Pacific Conference on Biomechanics
  • 発表場所: Seoul, Korea
• [学会発表] Modeling of cytoadhesion in malaria infection (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Ami, Y. Imai, T. Ishikawa, T. Yamaguchi
  • 学会等名: 7th Asian Pacific Conference on Biomechanics
  • 発表場所: Seoul, Korea
• [学会発表] Viscoelasticity of dilute capsule suspension under Stokes flows (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Matsunaga, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: 66th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 発表場所: Pittsburgh, USA
• [学会発表] Numerical analysis of margination of a cancer cell in microcirculation (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Takeishi, Y. Imai, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: 5th Aisa Pacific Congress on Computational Mechanics
  • 発表場所: Singapore, Singapore
• [学会発表] A numerical analysis of a capsule containing multiple small capsules in simple shear flow (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Ichikawa, Y. Imai, D. Matsunaga, T. Yamaguchi, T. Ishikawa
  • 学会等名: 5th Aisa Pacific Congress on Computational Mechanics
  • 発表場所: Singapore, Singapore
• [学会発表] Analysis of Red Blood Cell Behavior in a Narrow Tube (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Hosaka
  • 学会等名: American Physical Society 65th Annual DFD Meeting
  • 発表場所: San Diego, California, USA
  • 年月日: 2012-11-19
• [学会発表] Off-plane motion of a non-spherical capsule in simple shear flow (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Omori
  • 学会等名: American Physical Society 65th Annual DFD Meeting
  • 発表場所: San Diego, California, USA
  • 年月日: 2012-11-19
• [学会発表] Gradient diffusion 6f red blood cells in blood flow through a Y-shape microchannel (2012)
  • 著者名/発表者名: C. Cuang
  • 学会等名: American Physical Society 65th Annual DFD Meeting
  • 発表場所: San Diego, California, USA
  • 年月日: 2012-11-18
• [学会発表] Development of a GPU-Implemented BEM solver for biological cell suspensions (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Imai
  • 学会等名: International Computational Mechanics Symposium 2012
  • 発表場所: Kobe
  • 年月日: 2012-10-11
• [学会発表] Lateral migration of capsules in a near-wall shear flow (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Nix
  • 学会等名: International Computational Mechanics Symposium 2012
  • 発表場所: Kobe
  • 年月日: 2012-10-11
• [学会発表] Computational analysis on the mechanical interaction between a thrombus and re (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Kamada
  • 学会等名: 6th European Congress on Computational Methods in Applied Science and Engineering
  • 発表場所: Vienna, Austria
  • 年月日: 2012-09-13