実形状肺内気流の計算力学解析に基づくCOPDの新しい診断・治療支援システムの構築

基于实形肺内气流计算力学分析构建新型慢阻肺诊疗支持系统

• 批准号: 08J06479
• 负责人: 三木 貴仁
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2010
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08J06479/
• 关键词: 肺内気流解析; 数値流体力学; 実形状モデル; GPGPU; 格子ボルツマン法; 呼吸解析

呼吸器疾患は流体力学との関連が非常に高く,数値流体解析をその診断・治療支援のために臨床現場で導入することができれば,より定量的な医療の実現が可能になると考えられる.数値解析を臨床応用する上で,解析結果を迅速に取得できる必要があるが,スーパーコンピュータを用いた高速並列計算は,コスト・設置面積の観点から不適切である.そこで,小型で安価ながら高い演算性能を持つGPU計算による高速肺内気流計算手法を提案する.数値解析手法には格子ボルツマン法(LBM)を用いる.LBMの最大の特長は全計算を陽的に行える点であり,GPU計算との相性が良い.さらに,従来の半陰解法による数値計算手法で肺気道のような複雑な管路内流れを計算する場合,圧力分布を解くためのポアソン方程式の収束性が問題となるが,LBMでその心配はない.GPU計算において性能はメモリアクセス方法によって大きく左右され,従来,複雑形状の計算ではGPUの充分な性能を発揮することができなかった.そこで,新しく複雑形状のGPU計算に適した計算格子の提案を行い,肺内気流の高速解析を実現した.例えば,最大13世代気道まである実形状3次元肺気道モデルの吸気1秒間の流れは,コスト・設置面積の点から臨床現場でも導入可能な合計8台の計算機で構成されるGPUクラスタを用いて1時間前後で解析することができた.本解析手法は,移流拡散解析,ラグランジュ的粒子追跡などの解析手法と組み合わせることにより,様々な呼吸現象の解析が可能である.そこで,開発した解析手法をCOPDの治療等に用いられる吸入型薬剤の効果的な利用法の解明のために利用し,結果,気道壁に吸着した薬剤量と薬剤粒子径・吸入流速・吸入時姿勢との詳細な関係を明らかにするに至った.

The relationship between respiratory disease and fluid dynamics is very high, and the numerical value of fluid analysis is very high. The diagnosis and treatment support are introduced into the clinical field. Data analysis is clinically useful, and analytical results are quickly obtained. It is necessary to use high-speed parallel calculations, such as setting areas and points that are not appropriate. In addition, the small size of the computer can improve the performance of GPU computing and the high speed of intrapulmonary flow calculation. The number analysis method is the lattice method (LBM). The maximum feature of LBM is the line of full calculation. The phase of GPU calculation is good. In addition, the calculation method of semi-negative solution for the calculation of the internal flow of the lung channel, the solution of the pressure distribution, the convergence of the solution equation, and the calculation of the LBM are all problems. The calculation performance of the GPU is different from that of the method. In this paper, GPU computation of new complex shapes is applied to the proposal of computational lattice, and high speed analysis of intrapulmonary flow is realized. For example, a maximum of 13 generations of gas channels can be used in the shape of 3-dimensional gas channels. The flow of gas in 1 second can be used in the clinical field. A total of 8 computers can be used in the construction of GPU. This analytical method is based on flow dispersion analysis, particle tracking analysis and combination analysis. It is possible to analyze respiratory phenomena. In this paper, the development of analytical methods for the treatment of COPD, etc., inhalation type of agent in the use of the method of understanding the use of results, results, gas channel wall adsorption agent amount, agent particle diameter, inhalation flow rate, inhalation posture detailed relationship between the development of analytical methods for the treatment of COPD, etc.

项目成果

Image-Based Pulmonary Airflow Simulation using Cartesian Adaptive Mesh Refinement Method

使用笛卡尔自适应网格细化方法的基于图像的肺气流模拟

• 发表时间: 2008
• 作者: 三木貴仁;王嫻;青木尊之;今井陽介;石川拓司;高瀬圭;山口隆美;Takahito Miki;Takahito Miki;Takahito Miki;Takahito Miki;三木貴仁;Takahito Miki;Takahito Miki
• 通讯作者: Takahito Miki

Patient-specific Pulmonary Airflow Simulation using Cartesian Adaptive Mesh Rcfinement Method

使用笛卡尔自适应网格细化方法进行患者特定肺气流模拟

• 发表时间: 2009
• 作者: 三木貴仁;王嫻;青木尊之;今井陽介;石川拓司;高瀬圭;山口隆美;Takahito Miki;Takahito Miki;Takahito Miki
• 通讯作者: Takahito Miki

肺内気流計算に対する Adaptive Mesh Refinement 法の有用性

自适应网格细化方法在肺内气流计算中的用途

• 发表时间: 2008
• 作者: 三木貴仁;王嫻;青木尊之;今井陽介;石川拓司;高瀬圭;山口隆美;Takahito Miki;Takahito Miki;Takahito Miki;Takahito Miki;三木貴仁;Takahito Miki;Takahito Miki;三木貴仁
• 通讯作者: 三木貴仁

Pulmonary airflow simulation of inspiration and expiration using a patient-specific model

使用患者特定模型模拟吸气和呼气的肺气流

• 发表时间: 2009
• 作者: W. Cheng;A. Teramoto;R. Kuroda;M. Hirayama;T.Ohmi;木原一禎・鯉渕幸生・三浦ゆきこ・近藤康文・後藤大・石川光男;T.Miki
• 通讯作者: T.Miki

Subject-specific pulmonary airflow simulation by lattice Boltzmann method on GPU cluster

GPU 集群上的格子玻尔兹曼方法模拟特定主题的肺气流

• 发表时间: 2011
• 作者: Takahito Miki;Xian Wang;Takayuki Aoki;Yohsuke Imai;Takuji Ishikawa;Kei Takase;Takami Yamaguchi
• 通讯作者: Takami Yamaguchi