| 研究課題/領域番号 |
19H01175
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
和田 成生 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (70240546)
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| 研究分担者 |
渡邉 嘉之 滋賀医科大学, 医学部, 教授 (20362733)
武石 直樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (30787669)
大谷 智仁 大阪大学, 基礎工学研究科, 講師 (40778990)
伊井 仁志 東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (50513016)
石田 駿一 神戸大学, 工学研究科, 助教 (80824169)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 全脳循環モデル / 計算力学シミュレーション / 脳血流 / 脳脊髄液流れ / 脳微小循環 / 物質輸送 |
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| 研究実績の概要 |
前年度までに構築した全脳循環に関する計算力学モデルを用いて解析を行い，以下の研究成果を得た．
1. 全脳血液循環の解析 20例の被験者個別のMRI画像を基に個体別脳動脈血管モデルを作成し，スーパーコンピュータ富岳を用いた大規模血流解析を実施した．その結果，脳内の血流分配は脳動脈の解剖学的構造によって支配されていること，ウィリス動脈輪などの主要動脈内の流れには個人差が存在すること，ウィリス動脈輪近傍の血流は３次元的な乱れが強いことがわかった．また，側副血行路の数や総体積が異なる全脳血管モデルを用いて，主要動脈の一部を閉塞させ，閉塞した血管の下流血管枝が支配する領域に対して，側副血行路による流量の回復がどの程度見込めるか調べた．その結果，側副血行路の数の増加に伴い流量の回復度合は増加し，35%程度まで回復することが示された．また，側副血行路の数が少ない場合でも流量回復が大きくなる場合が存在することもわかった．
2. 脳微小循環における物質輸送解析 脳微小循環の簡易流路モデルおよびマウス実形状モデルを用いて，血球流動と酸素輸送の連成解析を行い，流路間で血球流量の増減が発生すること，それによって血流抵抗や組織への酸素供給量が非線形的に変化すること，実血管形状に由来する流路径の変化がこれらの強い相乗効果を生み出すことが示された．
3. 脳液脊髄液流れの解析 MRIで計測された健常者と正常圧脳水頭症患者の脳室系形状を用いて，心拍変動に伴う脳室内の脳脊髄液流れに対する数値流体解析を行った．MRI画像計測と数値解析の結果から，正常圧脳水頭症患者では，脳室体積および脳脊髄液流れの流量がともに増加し，健常者と比較して脳室内流れの攪拌の度合が増大することがわかった．また，脳血管の脈動波形が血管周囲腔内の脳間質液の流動特性に大きな影響を及ぼしていることを数値流体解析により明らかにした．
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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
当初の計画通り，これまでに構築してきた脳血液循環系および脳実質系の形態と解剖学的構造を詳細に再現した連続体モデルを用いて，全脳循環代謝動態を理解するための解析フェーズへと研究が進んでいる．具体的には，全脳レベルの血流動態，微小循環レベルの血球流動と酸素輸送動態，および脳脊髄液流動の解析を実行し，脳血管の形態や構造の個人差や側副血行路の影響，脳微小循環内の血球流動と脳内の酸素輸送との関係，脳脊髄液流れの特性などの解明に向けた解析に着手することができた． これらの妥当性を検証するための医用画像解析においても，MRI機器内部の渦電流に起因するバイアスノイズの空間分布を推定し，計測速度場からバイアスを半自動的に除去するフレームワークを構築するなど，実際の医療計測の精度を向上させることにも成功している．さらに，脳間質液・脊髄液流れの駆動源の一つとして考えられている血管周囲腔内の流れに関して，脈動波形が寄与することを理論的に示し学術論文で公表し，関連研究者から注目を集めている．
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き，全脳レベルの血液循環モデル，脳微小循環モデル，脳間質・脊髄液循環モデルを用いて個々の特性を明らかにしていくとともに，それらを統合したモデルを開発して，全脳循環代謝動態の解明を目指す．脳動脈の個別化モデルを用いた大規模血流解析では，側副血行路の存在を考慮し，実際の医用画像に基づいた脳梗シミュレーションを行い，障害の及ぶ範囲と側副血行路の発達度合いとの関係を明らかにしていく．また，脳微小循環モデルと連立させ，酸素輸送等の脳機能に及ぼす影響についても検討する．脳微小循環解析では，今年度得られた定量的知見に基づき，微小血液循環の低次元モデルを構築し，微小循環スケールにおける間質流れの数値計算モデルと統合することで，数mmスケールでのマウス実血管モデルにおける微小循環解析を達成する．脳脊髄液流れの計算解析では，水頭症の発症および進行による脳脊髄液流れの特徴的変化を評価するための流体力学的指標を検討するとともに，多数症例について同様の解析を行い，流れの特徴を統計的に明らかにする．
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