有限要素法を用いたコンピュータシミュレーションによる人工肺の至適設計

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13780695
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 小堀 深 早稲田大学, 理工学部, 講師 (70329093)
• Keywords: 人工肺 / シミュレーション / 圧力損失 / 酸素移動速度

Research Abstract

1.緒言
これまでの外部灌流膜型人工肺のシミュレーションでは、解析に必要な透過率比を人工肺ごとに実験して得なければならず、実験を必要としない完全なシミュレーション解析ではなかった。そこで今回は、透過率比を理論的に求め、その数値解を用いて人工肺のモジュール形状や膜充填を検討し、人工肺の至適設計を行える完全なものを確立することを目的とした。
2.方法
透過率比は、膜充填部の微小部分をモデル化して、汎用の流体解析ソフト(ANSYS, CYBERNET)を用いて算出した。二次元円筒座標上で、解析領域を三角形二次要素に有限要素法で要素分割し、圧力の数値解を得た。血液への酸素移動は、反応係数および移動単位数による式を用いた。さらに、これらのシミュレーション解析をウシ血液によるin vitro実験と比較して、本法の妥当性を検討した。
3.結果および考察
微小領域での血液流速分布の結果より、透過率比は0.680となった。この透過率比を用いて、圧力損失および酸素移動速度の解析を行ったところ、ともに解析結果と実験値はほぼ一致した。次に、人工肺モジュール長さLと内径Dの比L/Dを変化させたときの解析を行ったところ、血液の偏流を防ぎ、圧力損失と酸素移動速度の実用上の条件から、モジュール形状比L/Dを1.7〜2.8にすることが適切であることがわかった。さらに、膜の充填率を変化させたときのシミュレーション解析を行うと、芯側の空間率を既存のものより大きくすることで圧力損失を減少させ、酸素移動速度を増加させることができることが分かった。
4.結言
透過率比の理論的算出により、実験を必要としないシミュレーションが完成した。人工肺モジュールの形状比L/Dを1.7〜2.8、芯側の膜充填を疎、外壁側の膜充填を密にすることにより、さらに性能の良い人工肺ができることが示唆された。

Research Products

• [Publications] K.Ishiwata, K.Yamamoto, F.Kohori, K.Sakai, M.Fukuda: "Technical Evaluation of Dialysate Flow in a Hollow-fiber Dialyzer"Journal of Artificial Organs. 5. 251-256 (2002)
• [Publications] 小堀深, 酒井清孝, 宇野宏志, 成沢朋広, 中村洋平, 井上政昭: "手術に即したシミュレートが可能な吸入麻酔コンピュータプログラムの開発"医科器械学. 72. 505-506 (2002)
• [Publications] 小川武人, 青柳里果, 小堀深, 酒井清孝: "抗原・抗体モニタリング装置の開発"医工学治療. 14. 169-171 (2002)