基于Cradle从工程学角度预测血管和气管的流量并研究生物

埼玉大学大学院理工学研究科的生物力学实验室正在充分利用SCFLOW&SCRYU/Tetra®来研究医学和生物主题。通过将工程领域的观点带入医学领域，我们旨在解决医学领域过去无法解决的问题。它还正在努力研究将具有生物机体功能的生产品的应用。

照片1
埼玉大学大学院理工学系机械科学系　生物力学研究室副教授中村正典先生

　埼玉大学科学与工程研究生院机械科学系的生物力学实验室是工程学院的一项独特研究，研究基于机械工程的生物学相关的各种趋势，并致力于医学领域的应用开发。据说实验室正在使用SCFLOW&SCRYU/Tetra研究三个主要主题。一种是阐明由心脏瓣膜畸形引起的疾病的发病机理。第二项是对脑动脉瘤搭桥手术的初步检查的研究。第三是阐明鸟类呼吸器官的机制，以期应用于仿生学和生物分类学。我们询问了同一实验室的中村正典副教授（照片1）的详细信息。

探索由心脏瓣膜畸形引起的血管疾病的致病机理

　出口处有一个阀门，血液从心脏流到主动脉，以防止血液回流。该瓣膜通常由三个组成，但在称为主动脉瓣二尖瓣外翻的疾病中，只有两个瓣膜。这是一种先天性畸形，发生在千分之一的人中，但是大多数人大部分时间都没有被注意，因为他们可以毫无问题地生活。但是，在30年代和50年代，瓣膜末端的部分主动脉肿胀并比正常人更容易变成主动脉瘤。中村副教授正在与自治医科大学附属的埼玉医学中心和自治医科大学心血管外科共同合作调查原因。在这种情况下，有两种可能的主动脉瘤原因。一种理论认为血管可能存在某些遗传问题，因为从一开始就存在某种遗传缺陷。另一种可能性是由于主动脉瓣膜疾病引起的血流模式改变导致主动脉瘤。可能是这两者之一或两者都是原因。

　Nakamura等人正在研究由流量变化引起的设想进行验证。图1显示了基于医学图像（例如实际患者的CT和MRI）创建的模型，并通过SCFLOW&SCRYU/Tetra进行了分析。由于某些MRI可以获取血流的速度分布，因此可以创建与个人血液状况相结合的模型。

　从图1可以看出，在正常情况下，流线沿着血管顺畅地流动，并且壁面剪切应力不高。另一方面，在两个阀的情况下，已知阀总是由于未知原因而被钙化。因此，瓣膜难以打开，并且血流变成射流并且与血管的壁表面碰撞。可以看出，壁面剪切应力由于靠近碰撞点的强血流而增加。由于已知细胞会因摩擦力而失去功能，因此在壁面剪切应力较大的地方可能会发生异常。

图1通过scflow&SCRYU / Tetra模拟从瓣膜血管中的血流。
颜色轮廓（红色：大，蓝色：小）是壁面剪切应力。带有一个入口和四个出口的脉冲非稳态分析，对上部小血管施加压力条件

　为了进一步查明原因，我们还使用猪进行了实验。当将三个瓣膜中的两个瓣膜接合在一起并在一段时间后取出时，可以确认即使在几天后血管中的细胞也发生了变化。中村说：“我认为这种疾病将在几十年后发生，而不是立即发生，但我们知道血管的变化将很快发生。” 我们计划继续通过重复实验和分析来认真探索疾病的发病机理。

血管手术所需的液体分析

　在实验室中，我们还与美国国家心血管研究中心和早稻田大学TWIns合作，进行了研究以预测由于搭桥手术而导致的脑血管血流的变化。脑动脉瘤可能会在脑血管中发生，但是如果脑动脉瘤肿胀和破裂，会对大脑造成致命的伤害，因此可以在破裂前进行手术。脑动脉瘤本身有两种手术类型。一种是线圈栓塞术，其中将金属丝卷成脑动脉瘤并包装以防止剧烈的血液流入脑动脉瘤。另一种方法是修剪脑动脉瘤的根部。

　但是当脑动脉瘤变大时，无法使用这两种方法，需要采用旁路手术。大脑的血管被复杂地拉伸，并且通过连接其中的一些血管，改变了血流路径，并控制了流向脑动脉瘤的血液量。传统上，医生在连接位置上依赖于他们的经验和直觉。Nakamura等人认为，如果可以在此检查阶段预测旁路手术后的血流量，则可以降低手术的风险。“例如，在建筑业中，它分为设计阶段，包括设计师的结构计算和木匠的建筑。但是，在医疗方面，医生负责从计划到手术的所有工作。这是一种机械现象，因此我认为工程师应该在血管外科的设计中发挥作用。

图2手术前和手术后三个月驼峰（脑动脉瘤）消失了。

图3手术前，手术后1个月和3个月的外周血管阻力=（每个血管的出口压力-右心房（静脉）压力）/流量

预测手术后的血流量

　但是，在通过仿真来预测手术后的流量方面存在问题。传统上，在假定手术前后外周血管的阻力值相同的前提下进行术后血流预测。然而，血管也具有自动调节机制，并且手术后血管阻力可能会改变。因此，我们比较了使用MRI可以测量血流速度的患者手术前和手术后的血流速度。该图如图3所示。发现流速在手术前以及手术后1个月和3个月时发生了变化。脑血管是非常细的血管，存在很多地方难以进行流速检查等难题，但他希望在将来与CFD相结合的同时增加病例数并实现提前预测。

检查鸟类的呼吸系统如何运作

　鸟类的“飞行”行为非常繁重，以至于需要大量的氧气。因此，鸟类的呼吸器官的结构与人类的器官完全不同。人体呼吸器官是一种往复式器官，它将空气从支气管送到肺部，然后再将其从体内排出。但是，对于鸟类，空气在肺内沿一个方向传播，因此可以连续交换气体（图4）。

　鸟体内的空气流是环状的，但只有一个入口。进入回路时，空气仅沿一个方向行进，而没有相反的方向流动。由于这个原因，已经认为在环的前面的突起起作用，但是没有真正验证过。因此，Nakamura等人通过对整个鸟类呼吸器官的CT扫描创建了一个分析模型，并模拟了气流。结果发现，突起实际上形成了单向流动。可以确认，这些突起使流路的截面积变窄，速度加快，并且笔直地前进而没有流到顶部（图5）。可以说，这是第一次通过仿真实现可视化来确认该机制。

 
（左）图4鸟类呼吸器官（肺周围有气囊的结构）
（右）图5鸟类气管分叉处的血流模拟。流动方向由突起结构（上图中的红色圆圈）控制。　

　中村说，鸟类的功能可以应用于仿生。流体机械通常使用阀门使流体沿一个方向流动。对于前一个案例的核心也是如此。但是，即使没有阀门，鸟类也可以向一个方向发送空气。拥有阀门是一种复杂的机制，并且可能会由于长期施加在阀门上而损坏。通过从鸟类的呼吸器官中学习，可以将其应用于例如不易破裂的散热器和透析器以及难以制成精细结构的MEMS。

　中村说，这项研究也可能有助于生物学。这是将机械观点引入生物学的过程。此外，鸟类与爬行动物有相似之处，并且恐龙也有气囊。通过考虑流体和形态之间的关系，似乎可以广泛地应用。

照片2中村实验教授

高计算稳定性

　实验室使用多个CFD软件，因为有多个项目，包括那些在大学以外工作的项目。Scflow&SCRYU / Tetra认为其中的计算稳定性很高。当我使用完全相同的网格进行比较时，其他同类CFD软件发散了，但是看来我可以使用SCRYU/Tetra进行计算而没有任何问题。

　在SCFLOW&SCRYU/Tetra中，易于使用性以及专业技术支持团队的支持对日常分析工作有很大帮助。一名学生说：“我不了解的大多数东西都可以通过帮助搜索解决。日语也很容易使用。” “能够立即在电话上收听支持也很有帮助，”（中村先生）。他还喜欢这样一个事实：与其他工具相比，SCFLOW&SCRYU/Tetra的可视化效果更好。由于图像可以并排排列，因此易于在不同条件下进行比较，并且可以保存视点，从而易于使用。

　对SCFLOW&SCRYU/Tetra功能的要求是知道某个区域中粒子的平均寿命。另外，如果旋流和在流道横截面中更容易输入变化分布，则将更容易使用。中村说：“这是我们的专长，因此我们可以使用用户子程序进行设置，但这对医疗人员而言可能是一大障碍。” 对于医疗领域的人们来说，只需按一下按钮，就能看到医疗领域中经常使用的指标，例如壁面剪应力等。

生物特有的困难

　本次分析中，创建网格是一项艰巨的任务，并且每次都要花费大量时间。与工业产品相比，生物具有复杂的形状，例如弯曲和细微的不规则形状，以及从粗大血管到细小血管的分支。作为原始数据的CT数据中也存在很多细节问题。DICOM是CT拍摄的医学图像的格式，可以导入图像可视化软件并创建了STL文件。阀门通过CAD单独建模，并通过造型软件调整形状。他说，这些任务可能需要一周的时间。由于样品的形状每次都不同，因此每次都需要工作，并且当样品进一步跳动时，会添加随时间变化。如果要用于手术支持，可以进行自动化流程。

　这次，我们讨论了生物领域独有的SCFLOW&SCRYU/Tetra案例。将流体工程学应用于医学和生物学领域正在稳步带来新的见解。我期待着该领域的未来发展。