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2020 年度 実績報告書

生体内毛細血管網のマルチスケール・マルチフィジックス・シミュレーション

研究課題

研究課題/領域番号 17KK0128
研究機関東京大学

研究代表者

長谷川 洋介  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (30396783)

研究期間 (年度) 2018 – 2020
キーワード血管網リモデリング / 血流シミュレーション / マルチスケール・マルチフィジックス解析
研究実績の概要

ライブイメージングが可能であるゼブラフィッシュを対象として、高解像共焦点顕微鏡画像を積み重ねることにより、3次元の血管構造を再構築する技術を開発した。これにより、ゼブラフィッシュの脳全体の血管網を再構築し、局所の血管径、血管の結合性などの幾何学的情報を得ることが可能となった。さらに、血管内皮細胞と赤血球を異なる色素で蛍光させた動画に基づき、局所の血流速度を推定する技術を開発した。これらを組み合わせることにより、血流シミュレーションに必要となる、血管網の幾何学形状データ、および境界条件として与える血流データを取得することが可能となった。
上記の生体データを流体シミュレーションに組み込むことにより、ゼブラフィッシュ脳内の血流シミュレーションを実施した。三次元性および赤血球と血漿の相互作用を考慮した散逸動力学法、3次元性は維持しつつ赤血球の効果をモデル化した3次元連続体計算、さらには血管の軸方向のダイナミクスと血管の結合性のみを考慮した1次元モデルという3つの異なるシミュレーション技法を適用し、その結果、得られる流れ場の比較を行った。その結果、3次元効果が考慮されない最も計算負荷が小さい1次元モデルにおいても、最も信頼性の高い散逸動力学法と定性的には良い一致が得られることを確認した。一方で、局所の血流量や血管内壁に働くせん断応力については、定量的な差異が確認され、3次元効果や赤血球と結晶との相互作用を陽的に考慮する必要性が示唆された。
上記のような結果を受けて、最も信頼性は高いが計算コストが膨大となる散逸動力学法と最も信頼性が低いが計算コストが極めて小さい1次元モデルを組み合わせることにより、計算精度を保ちつつ、計算速度を飛躍的に加速する新しい計算手法を提案し、その有効性を確認した。開発された血流シミュレーション手法を用いて、血管網分岐パターンと輸送特性の関係性を明らかにした。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2021 2020 2018

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (1件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] ブラウン大学(米国)2018

    • 年月日
      2018-04-01 – 2020-03-20
    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      ブラウン大学
    • 主な海外共同研究者名
      George E Karniadakis
    • 部局
      応用数学科
    • 職名
      教授
  • [雑誌論文] Numerical evaluation reveals the effect of branching morphology on vessel transport properties during angiogenesis2021

    • 著者名/発表者名
      Mirzapour-shafiyi, F., Kametani, Y., Hikita, T., Hasegawa, Y., Nakayama, M.
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: accepted ページ: 1-28

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Multiscale parareal algorithm for long-time mesoscopic simulations of microvascular blood flow in Zebrafish2021

    • 著者名/発表者名
      Blumers, A., Yin, M., Nakajima, H., Hasegawa, Y., Li, Z., Karniadakis, G.E.
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 2101.08414 ページ: 1-23

    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Dissimilar heat transfer enhancement in a fully developed laminar channel flow subject to a traveling wave-like wall blowing and suction2021

    • 著者名/発表者名
      Kaithakkal, A. J., Kametani, Y., Hasegawa, Y.
    • 雑誌名

      International Journal of Heat and Mass Transfer

      巻: 164 ページ: 120485

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120485

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Heat transfer enhancement and pressure loss in a plate-fin heat exchanger with V-shaped oblique wavy surface2020

    • 著者名/発表者名
      Gong, J., Onishi, J., He, A., Kametani, Y., Hasegawa, Y., Shikazono, N.
    • 雑誌名

      International Journal of Heat and Mass Transfer

      巻: 161 ページ: 120263

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120263

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A new framework for design and validation of complex heat transfer surfaces based on adjoint optimization and rapid prototyping technologies2020

    • 著者名/発表者名
      Kametani, Y., Fukuda, Y., Osawa, Y., Hasegawa, Y.
    • 雑誌名

      Journal of Thermal Science and Technology

      巻: 15 ページ: JTST0016 1-15

    • DOI

      10.1299/jtst.2020jtst0016

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 熱流体システムへの最適制御理論の応用2020

    • 著者名/発表者名
      長谷川 洋介,亀谷 幸憲,中倉 満帆,伊藤 宗嵩
    • 雑誌名

      計測と情報

      巻: 59 ページ: 527-534

    • 査読あり
  • [学会発表] ゼブラフィッシュ脳内血管網における生体ライブイメージングを用いた1次元血流モデルの検証2020

    • 著者名/発表者名
      中倉満帆,Yin, M., 中嶋洋行,Karniadakis, G., 長谷川洋介
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2020
  • [図書] マイクロ・ナノ熱工学の進展 (第4篇3章(4)「生体内毛細血管網の輸送特性と分岐形態最適化」分担執筆)2021

    • 著者名/発表者名
      長谷川洋介,中山雅敬
    • 総ページ数
      8
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-722-0

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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