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2023 年度 実績報告書

力学体系に基づいた間質液流れによる脳内老廃物除去機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20H04504
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

武石 直樹  京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (30787669)

研究分担者 横山 直人  東京電機大学, 工学部, 教授 (80512730)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード脈波 / 脳脊髄液 / 脳動脈 / 赤血球 / 微小循環 / 流体力学 / 計算バイオメカニクス
研究実績の概要

脳間質液流れによる脳内老廃物除去機構に支持する力学の解明と,脳疾患の進行機序を説明する力学的概念の構築を目的に,実験計測に基づく数理モデルと数値シミュレーション研究を行った.はじめに,脳内の実質的なリンパ管に対応するとされる血管周囲腔に着目し,血管の脈動に伴う周囲腔内部の脳脊髄液(CSF)流れを数理モデル化および数値シミュレーションした.これにより,血管壁の振動に伴う振動流が形成されるが,実験計測と同じオーダーの正味の流速が生じることを示した.また,この正味の流速は,血管壁の振幅や血管周囲腔の領域幅に対し,流体力学の潤滑理論に基づきスケールされることも示した.次に,全脳スケールでの脈波動態に着目した解析を行った.具体的には,ヒト脳動脈網の血管分岐世代毎の脈波伝ぱ動態を明らかにすることを目的に,MRI画像に基づき10例の被験者個別脳動脈モデルを構築し,1次元血流解析を行った.これらの結果に基づき,血管周囲空のCSF流れが確認できる約数十マイクロメートルスケールの脳動脈血管の脈波伝ぱ動態を推測する経験式を提案した.最後に,細胞スケールの血流動態に着目した解析を行った.血管の脈動に伴う時間非定常な局所血流場を,振動せん断流れ場としてモデル化し,大規模レオロジー解析を行った.これにより,赤血球懸濁液としての血液の動的粘弾性特性を数値シミュレーションによって定量した.この知見は,微小循環内血流場を予測する新たな構成則の構築に有効である.さらに,これら血球流動の力学モデルに,酸素輸送および周囲組織での代謝に関する生化学反応をボトムアップ的にモデル化することで,力学-生化学連成血流解析を達成した.これらの知見は,血流動態に関する新たな力学解析基盤であると共に,脳代謝動態に関する力学情報の可視化および実験計測戦略における指針を示すものである.

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 備考 (4件)

  • [国際共同研究] Politecnico di Torino(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      Politecnico di Torino
  • [雑誌論文] Viscoelasticity of suspension of red blood cells under oscillatory shear flow2024

    • 著者名/発表者名
      Takeishi Naoki、Rosti Marco Edoardo、Yokoyama Naoto、Brandt Luca
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 36 ページ: 1041905-1-10

    • DOI

      10.1063/5.0196272

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Numerical analysis of viscoelasticity of two-dimensional fluid membranes under oscillatory loadings2024

    • 著者名/発表者名
      Takeishi Naoki、Santo Masaya、Yokoyama Naoto、Wada Shigeo
    • 雑誌名

      Results in Engineering

      巻: 22 ページ: L061101-1-11

    • DOI

      10.1016/j.rineng.2024.102304

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Enhanced axial migration of a deformable capsule in pulsatile channel flows2023

    • 著者名/発表者名
      Takeishi Naoki、Rosti Marco Edoardo
    • 雑誌名

      Physical Review Fluids

      巻: 8 ページ: 041905-1-21

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.8.L061101

    • 査読あり
  • [学会発表] Numerical analysis of cellular flows spanning single red blood cell dynamics to bulk suspension rheology2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Takeishi
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Numerical analysis of suspension rheology of red blood cells under oscillatory shear flow2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Takeishi, Marco Edoardo Rosti, Naoto Yokoyama, Luca Brandt
    • 学会等名
      76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical analysis of the lateral movement of a deformable spherical capsule in pulsatile channel flows2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Takeishi, Marco Edoardo Rosti
    • 学会等名
      The 3rd World Congress of ESCHM-ISB-ISCH2023
    • 国際学会
  • [学会発表] 振動せん断流れ場における赤血球懸濁液の粘弾性解析2023

    • 著者名/発表者名
      武石直樹, Marco Edoardo Rosti, 横山直人, Luca Brandt.
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2023
  • [学会発表] 管路内振動流場におけるカプセルの軸集中現象に関する数値解析2023

    • 著者名/発表者名
      武石直樹, Marco Edoardo Rosti
    • 学会等名
      日本機械学会2023年度年次大会
  • [学会発表] 膜-流体連成解析による赤血球懸濁液の粘弾性解析2023

    • 著者名/発表者名
      武石直樹, Marco E Rosti, 横山直人, Luca Brandt
    • 学会等名
      第46回日本バイオレオロジー学会年会
  • [備考] 個人用ホームページ

    • URL

      http://naoki-takeishi.sakura.ne.jp/jp/home.html

  • [備考] Research map

    • URL

      https://researchmap.jp/ntakeishi

  • [備考] Google Scholar

    • URL

      https://scholar.google.co.jp/citations?user=rp9h9WQAAAAJ&hl=ja#

  • [備考] ResearchGate

    • URL

      https://www.researchgate.net/profile/Naoki-Takeishi

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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