医療画像に基づく人体上肢の熱物質輸送モデルの開発

生体システムの血液流れと熱物質輸送は複雑な現象である。本研究では、医療画像に基づき、生体の熱輸送現象に関するシミュレーションシステムを開発し、指部分の血流量と温度分布について考察を行った。本研究は三つの部分から成り立つ。すなわち、血流循環システムのモデリング、生体形状のモデリングとメッシュ生成および血流力学と組織熱輸送の有限要素法解析である。血流循環システムのモデリングには、弾性管における一次元非線形流体力学モデルを用い、組織における血流の挙動は多孔質の流れを表すDarcyモデルを用いた。また多孔質におけるエネルギー方程式を用いて、血流と組織の熱輸送を求めた。生体幾何形状を構築するには、まず、被験者の手の連続断面画像を取得し、各断面画像についてセグメンテーションを行い、断面画像における各組織の幾何情報を取得する。さらに、画像の幾何情報から断面メッシュを作成し、断面のメッシュから六面体の3次元要素を作成する。最後には、血管の中心点座標よって、血管部分のメッシュを認識する。数値計算方法に関しては、まず二ステップLax-Wendroff方法を用いて、各血管の血流量と血圧を求める。これらの結果は境界条件として有限要素法モデルに与える。組織内の血圧分布を表すラプラス方程式と熱輸送方程式をガラーキン法で離散する。すべての離散方程式はCG反復法で解く。シミュレーション結果としては、組織内の血流の圧力と流量分布および温度分布が得られた。組織内の血流は皮膚表面に向かって流れる様子を表し、解剖学構造と一致している。また血流の温度分布に対する影響を考察した。組織に血流はないとき、指先の温度分布は明らかに低いことを示した。シミュレーションの結果もサーモグラフィと比較した。今後には、本シミュレーションシステムを用い、さまざまな生体伝熱問題に展開しようと考えている。

生体システムの血液流れと熱物質輸送は複雑な現象である。本研究では、医療画像に基づき、生体の熱輸送現象に関するシミュレーションシステムを開発し、指部分の血流量と温度分布について考察を行った。本研究は三つの部分から成り立つ。すなわち、血流循環システムのモデリング、生体形状のモデリングとメッシュ生成および血流力学と組織熱輸送の有限要素法解析である。血流循環システムのモデリングには、弾性管における一次元非線形流体力学モデルを用い、組織における血流の挙動は多孔質の流れを表すDarcyモデルを用いた。また多孔質におけるエネルギー方程式を用いて、血流と組織の熱輸送を求めた。生体幾何形状を構築するには、まず、被験者の手の連続断面画像を取得し、各断面画像についてセグメンテーションを行い、断面画像における各組織の幾何情報を取得する。さらに、画像の幾何情報から断面メッシュを作成し、断面のメッシュから六面体の3次元要素を作成する。最後には、血管の中心点座標よって、血管部分のメッシュを認識する。数値計算方法に関しては、まず二ステップLax-Wendroff方法を用いて、各血管の血流量と血圧を求める。これらの結果は境界条件として有限要素法モデルに与える。組織内の血圧分布を表すラプラス方程式と熱輸送方程式をガラーキン法で離散する。すべての離散方程式はCG反復法で解く。シミュレーション結果としては、組織内の血流の圧力と流量分布および温度分布が得られた。組織内の血流は皮膚表面に向かって流れる様子を表し、解剖学構造と一致している。また血流の温度分布に対する影響を考察した。組織に血流はないとき、指先の温度分布は明らかに低いことを示した。シミュレーションの結果もサーモグラフィと比較した。今後には、本シミュレーションシステムを用い、さまざまな生体伝熱問題に展開しようと考えている。