消化管内容物輸送シミュレータによる消化器系疾患の病態生理研究

使用胃肠内容物运输模拟器进行胃肠疾病的病理生理学研究

• 批准号: 18800006
• 负责人: 今井 陽介
• 金额: $ 1.78万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (Start-up)
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18800006/
• 关键词: 生物・生体工学; 計算物理; シミュレーション工学; 流体; モデル化

消化管内ガス,食塊,消化液の混相流問題では,領域によって解像するべき流れのスケールが大きく異なる.例えば気相・液相の界面において適切な格子サイズを用いなければ,界面近傍の解が拡散的になる.さらに蠕動運動によって生じる胃壁の移動境界や将来的に導入する食塊の粒子成分の近傍などにおいても同様に,局所的に高解像度の格子が要求される.任意領域の格子解像度を局所的に変化させるAdaptive Mesh Refinement(AMR)法はこのための有望な解決法であるが,粗い格子と細かい格子の境界において流体変数の補間や非等間隔の離散化が必要となるため,2次精度までの手法しか報告されていなかった.Interpolated Differential Operator(IDO)法を適用し,3次元Navier-Stokes方程式に対して4次精度の定式化を行い,医用画像ベースの生体内流動問題に適用し,本手法によって高精度なマルチスケール解析が可能であることを確認した.AMR法を用いた場合,非圧縮性流体の半陰的解法に必要となる圧力のPoisson方程式の係数行列が著しく不規則になるため収束性が悪化する.IDO法の係数行列は非対称な疎行列であるが,従来の差分法と同様,Algebraic Multi-grid(AMG)法を適用することでこれを改善できることを確認した.胃内部の食塊流動問題へ適用するための界面追跡および捕獲法として,Constrained Interpolated Profile-Conservative Semi-Lagrangian3(CIP-CSL3)法およびTangent of Hyperbola for Interface Capturing(THINC)法をIDO法に適合させた,Semi-Lagrange法であるこれらの手法をEuler法として定式化し,記述が簡易になる一方で従来の方法と同等または優れた界面捕獲法となりえることを確認した.2次元の胃内部食塊流動問題に適用し,消化管内ガスの影響に関する基礎的知見を得た.

在胃肠道中气体，食物推注和消化液的混合相流问题中，要解决的流量的尺度取决于该地区的变化很大。例如，如果在气液相的界面未使用适当的晶格尺寸，则接口附近的解决方案将变得分散。此外，在未来引入的食物推注颗粒成分附近引起的胃壁的运动边界需要局部高分辨率的晶格。用于此目的的有前途的解决方案，在局部更改晶格分辨率的自适应网格细化（AMR）方法是为此目的的一个有希望的解决方案，但是由于粗晶格和精细晶格之间的边界需要在边界上进行插值，因此仅报道了Quadratic准确性的方法。将操作员（IDO）方法应用于具有二次精度配方的3D Navier-Stokes方程，并将其应用于基于医学图像的体内流动问题，并确认此方法允许进行高精度的多规模分析。当使用AMR方法时，泊松方程的系数矩阵对于不可压缩流体的半平移溶液所需的压力变得明显不规则，从而导致收敛性差。 IDO方法的系数矩阵是一种不对称的稀疏基质，但是可以通过应用代数多网格（AMG）方法来改善这一点，就像常规差异方法一样。受约束的插值概要保存作为界面跟踪和捕获方法，以应用于胃内的推注流问题。这些方法，即半lagrangian3（CIP-CSL3）和界面捕获（THINC）方法的双曲线的切线，被表述为符合IDO方法的Euler方法，虽然简化了描述，并且证实了界面捕获方法可以等效或相当于传统方法。该方法应用于二维胃推注的问题，以及对胃肠道气体影响的基本知识。