健康影響を可視化するin silico人体モデルの開発と環境設計への展開

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03807
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 伊藤 一秀 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (20329220)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: in silico human model / CFD / 室内空気質 / 経気道暴露 / 経皮暴露

研究実績の概要

2019年度は研究初年度(2018年度)に引き続き，以下の研究課題に取り組んだ．
(1)文献調査を基に，各種のガス状汚染物質(ホルムアルデヒド，アセトアルデヒド，アクロレイン，ベンゼン，トルエン，ニコチン)を対象として代謝反応速度定数，組織内拡散係数，酵素反応を示すMichaelis- Menten式のモデルパラメータを同定した．人体周辺環境と細胞組織が接触する気相－粘膜相界面における各種汚染物質の分配定数 (Partition Coefficient)も文献調査を行うことでデータベースとして整理した．
(2)同定したモデルパラメータを経気道暴露用生理的薬物動態(PBPK)モデルと経皮暴露用PBPKモデルに統合し，非定常呼吸を再現した感度解析を実施すると共に，in vivo実験結果と比較することで予測精度を定量的に検証した．
(3)経気道暴露評価用の数値気道モデルを対象として，Lagrangeモデルを用いたナノスケール粒子からマイクロスケール粒子の気道内沈着量分布解析を実施した上で，気道内の粒子沈着分布を定量的に表示する可視化手法を整備した．この手法にて気道内のHot Spot分布に粒径依存性が強く存在することを確認した．
(4)数値人体モデルとPBPKモデルの連成解析手法としてFull-coupling法の他，PBPKモデルの連成頻度を調節したQuasi-coupling法を検討し，解析精度を維持した上で計算速度向上を図るための基礎検討を実施した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究計画に従い，当初の予定通りに研究を進めている．

今後の研究の推進方策

研究計画に従い，実直に研究を推進する．現時点で研究計画変更の必要性や大きな問題点は無いと考えている．しかしながら，昨年度からの継続課題としてPBPKモデルを統合したin silico人体モデルとCFDの連成解析の計算負荷が非常に大きく，境界条件を変化させたパラメトリック解析の実施の制約となっている．この問題に対し，PBPKモデルのカップリング頻度を調整することで計算速度の向上が可能となることを確認しているが，更に，計算機側の能力も増強することで全体的な計算速度の改善を図り，効率的に複数の解析を実施可能な研究環境を構築する予定である．

研究成果

• [国際共同研究] RMIT University(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: RMIT University
• [国際共同研究] UNRE(ベトナム)
  • 国名: ベトナム
  • 外国機関名: UNRE
• [雑誌論文] Comparative numerical simulation of inhaled particle dispersion in upper human airway to analyse intersubject differences (2020)
  • 著者名/発表者名: Phuong Nguyen Lu、Khoa Nguyen Dang、Ito Kazuhide
  • 雑誌名: Indoor and Built Environment 巻: - ページ: -
  • DOI: doi.org/10.1177/1420326X19894128
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical investigation of indoor particulate contaminant transport using the Eulerian-Eulerian and Eulerian-Lagrangian two-phase flow models (2020)
  • 著者名/発表者名: Yihuan Yan, Xiangdong Li, Kazuhide Ito
  • 雑誌名: Experimental and Computational Multiphase Flow 巻: 2 (1) ページ: -
  • DOI: doi.org/10.1007/s42757-019-0016-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] CFD analysis of the flow structure in a monkey upper airway validated by PIV experiments (2020)
  • 著者名/発表者名: Phuong Nguyen Lu、Quang Tran Van、Khoa Nguyen Dang、Kim Ji-Woong、Ito Kazuhide
  • 雑誌名: Respiratory Physiology & Neurobiology 巻: 271 ページ: 103304～103304
  • DOI: doi.org/10.1016/j.resp.2019.103304
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of chemical reactions and turbulent diffusion on the formation of local pollutant concentration distributions (2020)
  • 著者名/発表者名: Lim Eunsu、Chung Juyeon、Sandberg Mats、Ito Kazuhide
  • 雑誌名: Building and Environment 巻: 168 ページ: 106487～106487
  • DOI: doi.org/10.1016/j.buildenv.2019.106487
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Correlation between formaldehyde emission characteristics in enclosed desiccators with five different geometries (2020)
  • 著者名/発表者名: Yujin Kang, Sung-Jun Yoo, Kazuhide Ito
  • 雑誌名: Indoor and Built Environment 巻: - ページ: -
  • DOI: doi.org/110.1177/1420326X20908918
  • 査読あり
• [雑誌論文] A numerical investigation of the potential effects of e‐cigarette smoking on local tissue dosimetry and the deterioration of indoor air quality (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuga Kazuki、Ito Kazuhide、Chen Wenhao、Wang Ping、Kumagai Kazukiyo
  • 雑誌名: Indoor Air 巻: - ページ: -
  • DOI: doi.org/10.1111/ina.12666
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-stage optimization of local environmental quality by comprehensive computer simulated person as a sensor for HVAC control (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoo Sungjun、Ito Kazuhide
  • 雑誌名: Advances in Building Energy Research 巻: - ページ: 1～18
  • DOI: doi.org/10.1080/17512549.2019.1588167
  • 査読あり
• [雑誌論文] Does detailed hygrothermal transport analysis in respiratory tract affect skin surface temperature distributions by thermoregulation model? (2019)
  • 著者名/発表者名: Wang Chong、Yoo Sung-Jun、Ito Kazuhide
  • 雑誌名: Advances in Building Energy Research 巻: - ページ: 1～21
  • DOI: doi.org/10.1080/17512549.2019.1607776
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational fluid dynamics investigation of particle intake for nasal breathing by a moving body (2019)
  • 著者名/発表者名: Tao Yao、Yang Wei、Ito Kazuhide、Inthavong Kiao
  • 雑誌名: Experimental and Computational Multiphase Flow 巻: 1 ページ: 212～218
  • DOI: doi.org/10.1007/s42757-019-0014-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Can the inhalation exposure of a specific worker in a cross-ventilated factory be evaluated by time- and spatial-averaged contaminant concentration? (2019)
  • 著者名/発表者名: Murga Alicia、Kuga Kazuki、Yoo Sung-Jun、Ito Kazuhide
  • 雑誌名: Environmental Pollution 巻: 252 ページ: 1388～1398
  • DOI: doi.org/10.1016/j.envpol.2019.06.056
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distribution of transient formaldehyde concentration in confined small glass desiccators and its impact on emission rate measurement (2019)
  • 著者名/発表者名: Kang Yujin、Yoo Sung-Jun、Takenouchi Kazuki、Yoshida Hitomi、Tanabe Shin-ichi、Ito Kazuhide
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 218 ページ: 116979～116979
  • DOI: doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.116979
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical sensitivity analyses for identifying rate-limiting factors influencing total energy exchange efficiency in energy recovery ventilator (2019)
  • 著者名/発表者名: Sotokawa Hajime、Chung Juyeon、Yoo Sung-Jung、Ito Kazuhide
  • 雑誌名: Indoor and Built Environment 巻: - ページ: -
  • DOI: doi.org/10.1177/1420326X19890376
  • 査読あり
• [学会発表] Development of Numerical Heat and Mass Transfer Model for Predicting Total Heat Exchange Performance in Energy Recovery Ventilator (2019)
  • 著者名/発表者名: Hajime Sotokawa, Keiji Kameishi, Juyeon Chung, Sung-Jun Yoo, Kazuhide Ito
  • 学会等名: IAQVEC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative inhalation exposure/toxicology analysis of e-cigarette vapors with different puffing behaviors using PBPK-CSP-CFD approach (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Kuga, Hideaki Koyama, Kazuhide Ito
  • 学会等名: IAQVEC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Short-term and Long-term personal inhalation risk assessment based on hybrid analysis using Network Modeling and CFD with computer simulated person (2019)
  • 著者名/発表者名: Alicia Murga and Kazuhide Ito
  • 学会等名: IAQVEC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Factors Controlling the Formaldehyde Emission Rate from Building Materials in Small, Airtight, Glass Desiccators (2019)
  • 著者名/発表者名: Yujin Kang, Sung-jun Yoo, Kazuhide Ito
  • 学会等名: IAQVEC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement of human thermoregulation model for in silico human by detail respiratory heat loss analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Chong Wang, Sung-Jun Yoo, Kazuhide Ito
  • 学会等名: ISHVAC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] CFD simulations of airflow in and around the human body (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuhide Ito
  • 学会等名: ISHVAC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical Model for Estimating Transient Air Emissions from Mixed Solution with multiple Chemical Components - Development of Numerical Tools for Health Risk Assessment of High Concentration and Short-Term Exposure (2019)
  • 著者名/発表者名: Eisaku Sumiyoshi, Kentaro Sakai, Hiroshi Harashima, Alicia Murga, and Kazuhide Ito
  • 学会等名: IMAT 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Discussions regarding performance improvement possibility of energy exchange efficiency in energy recovery ventilators by sensitivity numerical analyses (2019)
  • 著者名/発表者名: Hajime Sotokawa and Kazuhide Ito
  • 学会等名: IMAT 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Emergency Ventilation System: Displacement versus hybrid push-pull ventilation performance in a factory (2019)
  • 著者名/発表者名: Alicia Murga, Eisaku Sumiyoshi and Kazuhide Ito
  • 学会等名: IMAT 2019
  • 国際学会
• [備考] 九州大学総合理工学研究院 伊藤研究室
  • URL: http://www.phe-kyudai.jp/index.html