高度個別医療に向けた心臓弁まわりの流体解析手法の構築

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本研究では生体由来の心臓弁、人工弁、機械弁など個別の心臓弁に適用可能な高精度流体解析手法の構築を目指す研究である。本年度は、アイソジオメトリック解析においてT-splineの技術を用いた局所的な細分化を実際の人工弁の流体解析に適用した。さらに、心房と心室の間に位置する房室弁は、比較的柔軟で大きな弁尖を有しており、心臓壁から伸びる腱索とよばれる紐状の組織によって支えられ開閉をしている。アイソジオメトリック解析によって房室弁の動作を再現するにあたって、B-splineで表現される形状と格子点の位置が異なることから、弁尖部分の格子点をそのまま用いて腱索部分の一部を表現することが難しいという問題がある。この点を解決した。人工弁の流体解析研究では実際に使用されているウシの心膜により作られた形状と、流体構造連成解析で得られた動作を基に流体解析を行った。弁尖同士が接触する瞬間、また離れる瞬間の流れの変化を正しく捉えるため、境界適合格子を用い、ST-SI-TC-IGA法を用いて解析を行った。この解析格子は2次のB-splineで表現されており、本研究ではT-splineの基底関数を用いて弁尖の境界層部分を従来の8倍の解像度に変更した。局所的な細分化が可能となったことで、全体の制御点数に対して、従来の解像度による解析と流れ場を比較し、細分化による効果が開口時の弁尖近傍の流れ場に現れることを確認した。房室弁と腱索の接続研究ではアイソジオメトリック解析における2次元構造物と1次元構造物を接続することを実現した。T-splineの技術を応用し、2次元構造物の基底関数を用いて1次元構造物の基底関数を表現した。さらには、2次元構造物と1次元構造物間に高次の連続性を持つ表現も可能とした。本手法は心臓弁のみならず宇宙船用パラシュートのような工業応用が可能であることを示した。