消化管内容物輸送シミュレータによる非潰瘍性消化不良と消化管運動異常の関係の解明

使用胃肠内容物转运模拟器阐明非溃疡性消化不良与胃肠运动异常之间的关系

基本信息

批准号：
05J08334
负责人：
今井陽介
金额：
$ 0.64万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

安定かつ高精度な消化管内容物輸送シミュレータを構築するため,局所補間微分オペレータ(IDO)法の安定性および計算精度を明らかにし,安定化カップリング手法を導入した新しいIDO法(IDO-SC法)を開発した.Fourier解析による安定性・計算精度解析によって,流体方程式の全ての項に対して,IDO法が既存の高次精度差分法に比べ特に高波数領域(格子サイズに対して短波長)においてより高い計算精度を持つことが明らかとなった.従来のIDO法では流速と圧力のカップリングの安定化のためスタッガード格子が多く用いてきたが,この場合カップリングは2次精度まで落ちる.コロケート格子上での安定なカップリングのための新たな離散化手法(IDO-SC法)を提案し,4次精度での流体計算を可能にした.非圧縮性および圧縮性流体のどちらに対しても既存手法に比べ極めて少ない格子点数で同等の計算結果が得られることを示した.大変形を伴う消化管運動では管壁近傍での運動を精度よく記述するためには適した格子解像度が必要となる.細かい格子を必要な領域にのみ配置する局所格子細分化計算手法(LMR法)が非常に有効な手法であり,IDO-SC法はコロケート格子を用いた高精度計算手法であるため,容易に効果的なLMR法を構築できる.消化管内の流れは遅いため細分化格子での拡散数が時間刻みを厳しく制限する.これに対応するため陰的Runge-Kutta法を用いた陰的IDO法を開発しLMR法に導入した.開発したLMR法によって等間隔格子を用いたIDO-SC法の数%の計算負荷で同等の計算結果を得ることが可能となった.上部消化管の形状,蠕動運動をモデル化するため,食道および胃のMRI撮影を行った.絶食時の胃は運動が少ないため,1.5TのMRIによってある程度の形態画像を得ることができた.蠕動運動に関しては運動周期が固定でないため,飲み込むものや撮影方法に工夫が必要であることが分かった.

为了构建一种稳定且高度准确的胃肠道含量传输模拟器，我们开发了一种新的IDO方法（IDO-SC方法），该方法揭示了局部插值差分差异操作员（IDO）方法的稳定性和计算准确性，并引入了稳定的耦合方法。使用傅立叶分析的稳定性和计算精度分析表明，对于流体方程的所有术语，IDO方法具有更高的计算准确性，尤其是在高波数区域（相对于晶格大小的短波长）与现有的高阶精确差异方法相比。在常规的IDO方法中，已使用交错的晶格来稳定流速和压力之间的耦合，但是在这种情况下，耦合下降至二次精度。我们提出了一种新的离散方法（IDO-SC方法），用于在共线的晶格上稳定耦合，从而允许具有二次精度的流体计算。我们表明，与现有的不可压缩液和可压缩流体相比，几乎没有晶格点可以获得可比的计算结果。需要合适的晶格分辨率来准确描述管壁附近的运动。局部晶格细分计算方法（LMR方法）仅将细晶格放置在所需的区域中是一种非常有效的方法，而IDO-SC方法是使用共核晶格的高精度计算方法，使得易于构建有效的LMR方法。由于胃肠道中的流量很慢，因此细分晶格中的扩散次数严格限制了时间步长。为了适应这一点，我们使用隐式runge-kutta方法打开了隐式IDO方法。开发了LMR方法并将其引入LMR方法。开发的LMR方法使使用同样间隔的晶格获得了IDO-SC方法的计算载荷的几％的计算负载，从而获得了可比的计算结果。为了建模上胃肠道的形状和蠕动，进行了食管和胃的MRI成像。由于禁食过程中的胃几乎没有运动，因此通过1.5T MRI获得了一定程度的形态图像。由于运动周期不是蠕动的固定，因此发现吞咽和成像方法是必要的。