| 研究課題/領域番号 |
18K03970
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| 研究機関 | 千葉大学 |
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研究代表者 |
田中 学 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (20292667)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 熱工学 / 生物・生体工学 / 流体工学 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，複雑形状を有する鼻腔内の往復流によるエアコンディショニング機能の，３次元医療画像要素（ボリュームピクセル：ボクセル）を利用したモデリングによる解析手法を確立することを目的とする．
本年度は，医療用X線CT，MRI画像から３次元鼻腔モデルを構築して，嗅動作時における流量波形を模擬した非定常流動条件の下で，直交格子を用いたボクセルシミュレーションを実施した．結果を従来の境界適合格子法と対照して，本手法の妥当性について検討した．ボクセルシミュレーションでは，非定常非圧縮流れの解析に流体解析ソルバーFFV-C（Frontflow / violet Cartesian ver.2.3.8, RIKEN）を用いた．基礎式は，連続の式，運動量保存式およびエネルギー保存式である．境界条件として，急加速を伴う嗅動作を模擬した非定常流量を，喉断面に一様に与えた．断面積が最小となる鼻弁部の水力等価直径に基づき定義されるレイノルズ数は，右鼻腔で約1900，左鼻腔で約2400であった．
嗅動作時における冠状断面内流量分配比の時間遷移には，ボクセル格子法と境界適合格子法で良い一致がみられた．すなわち，ボクセル格子法を鼻腔内非定常流れのダイナミクスに応用して，急加速に伴う急激な流量分配比の変化を精度良く再現可能であることがわかった．また，鼻腔上部前方における再循環流の発生等の特徴的な流れの解像が，嗅動作時の非定常流れの分配を予測するために重要であることがわかった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
医療用X線CT，MRI画像から３次元鼻腔モデルを構築して，嗅動作時における流量波形を模擬した非定常流動条件の下で，直交格子を用いたボクセルシミュレーションを実施することが出来た．特に，鼻腔内の流量分配の時間遷移と鼻腔上部前方における再循環流れの発生には密接な関係があること，そしてボクセル格子法でこのような鼻腔前方部における特徴的な流動様式の変化が再現可能であることが確認出来た．
一方，ボクセル格子法で得られた流量分配及び流動様式には，時間変動がみられなかった．本研究のボクセル格子が粗く，自由境界層のゆらぎ等，流れの不安定性が解像されなかったためと考えられ，今後はさらに格子を細分化する必要がある．
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| 今後の研究の推進方策 |
医用画像から3Dプリンタにより鼻腔モデル流路を作成して，非定常流動条件下で流れの可視化実験を行い，ボクセル格子法による解析結果を検証する．可視化実験では，加速・減速時において，流れの不安定性や乱れがどのような部位・流動条件で発生するかを調査し，流れの状態安定図を作成する．流れの不安定性や乱れは鼻腔の各機能に重要な影響を及ぼすため，実験で得られた流動状態を解析の流動モデルに反映させる．
また，鼻腔内に吸入された異物浮遊粒子の挙動について調査するため，蛍光染料を吸着させた粒子をトレーサーに用いてその軌跡を可視化する．解析では粒子の運動方程式を流れの式と連成せずに解くことにより粒子軌跡を算出する計画であるが，結果の妥当性を実験により得られた可視化挙動と比較して検討する．
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