血流と血管壁の相互作用解析に基づく血管病成因の数値力学的研究

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08680935
• 研究機関: 東海大学
• 研究代表者: 山口 隆美 東海大学, 開発工学部, 教授 (30101843)
• キーワード: 血管の内部流れ / 計算流体力学 / 細胞スケールでの流れ / 3次元分岐血管モデル / 狭窄モデル / 左心室 / 壁剪断応力 / 培養内皮細胞

研究概要

本研究においては、大変形する大型血管の内部流れの計算流体力学的検討、および、細胞スケールでの流れと細胞の創発的な生物学的反応の計算流体力学モデルによる解析を行った。大変形する大型血管の内部流れの研究では、まず、これまでに我々が開発した、パラメトリックな3次元分岐血管モデル、家兎頸動脈から採取した鋳型による狭窄モデル、イヌ左心室の鋳型によるモデルなどについて、形状データを移植し有限要素法の形式に適合した流体内部の格子形成を行い、壁運動との連成解析を行うための壁要素の追加して格子の最適化を図った。
このモデルにおいて、定常および非定常の条件で、血管壁運動と血流の連成計算を行ったが、その計算結果と、これまでに我々が蓄積してきた病理標本における所見との比較においては、計算流体力学で決定される速度と圧力とそれらから導出される諸量、たとえば、壁剪断応力、その時間平均、変動の大きさなどの時間的変化および空間的分布を検討した。
細胞スケールでの流れと細胞の創発的な生物学的反応の計算流体力学モデルによる解析においては、創発系としての細胞システムの各種の生理的、物理的性質の検討とそのモデリング、および、この系の適応条件となる流れのモデリングの両面から検討した。とくに、本年度は、自立的に環境条件に適応して機能と形態を変化させる細胞系のモデリングとして、培養内皮細胞を模した、平面基質上の細胞モデル、および、細動脈-動脈レベルの血管内皮を模した細胞モデルについて定常Newton粘性流れおよび非定常Newton粘性流れを用いて計算実験を実施し、計算の過程と結果を可視化し、その生理的あるいは細胞生物学的な意義の考察を考察した。

研究成果

• [文献書誌] 山口隆美: "細胞をとりまく力学的環境-壁ずり応力分布と細胞形態に関する計算流体力学を用いた解析-" 蛋白質 核酸 酵素. Vol.41 No.1. 102-109 (1996)
• [文献書誌] T.W.Taylor,H.Suga,Y.Goto,H.Okino and T.Yamaguchi: "The Effects of Cardiac Infarction on Realistic Three-Dimensional Left Ventricular Blood Ejection" Journal of Biomechanical Engineering. Vol.118 No.1. 106-110 (1996)
• [文献書誌] 山本康人、山口隆美: "血管内皮細胞の変形と配向現象の計算流体力学モデル" 日本バイオレオロジー学会雑誌. Vol.10 No.1. 2-10 (1996)
• [文献書誌] 山本康人、山口隆美: "剪断応力負荷に対する培養内皮細胞の創発的形態形成(第II報) 非一様,非定常流れ" 医用電子と生体工学. Vol.34 No.3. 274-278 (1996)
• [文献書誌] T.Yamaguchi,T.Nakayama and T.Kobayashi: "Computations of the Wall Mechanical Response under Unsteady Flows in Arterial Diseases" 1996 Advances in Bioengineering. BED-Vol.33. 369-370 (1996)
• [文献書誌] 山本康人、山口隆美: "せん断応力負荷の下で変形・配向するサブコンフルエントな培養内皮細胞3次元モデルの挙動の計算流体力学シミュレーション" 日本機械学会論文集C編. Vol.63 No.607(in print). (1997)
• [文献書誌] T.Yamaguchi: "Biological Flows" Plenum Press, 367 (1996)
• [文献書誌] T.Yamaguchi: "Computational Biomechanics" Springer-Verlag, 277 (1996)