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非等方多孔質体理論のバイオ伝熱への応用

各向异性多孔体理论在生物传热中的应用

基本信息

批准号：
09J00244
负责人：
佐野吉彦
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の主な目的は,非等方性多孔質体理論を用いて,複雑なバイオ伝熱系を取り扱い得る一般的解析手法を確立することにある.まず,生体組織を非等方多孔質体として捉え,生体伝熱の定式化を局所体積平均理論の基づき最小の仮定で実施した.その結果,生体組織全体を一括して取り扱いうるマルチスケールモデル(第48回日本伝熱シンポジウム,生体伝熱のマルチスケールモデリング,口頭,2011年6月1-3日)を確立した.本マルチスケールモデルより生体内の温度場の予測が可能となり,ハイパーサーミヤや凍結融解壊死療法の手術精度の向上が見込まれる.次に,本手法の応用として医療工学に焦点を当てた.人工透析器(ダイアライザー)に注目し,8000本を超える中空糸から構成されている人工透析器内の物質移動に対し非等方性多孔質体理論を適用した.その結果,血液と透析液間の物質移動における基礎方程式群(Sano Y, Nakayama A, A porous media approach for analyzing a countercurrent dialyzer system, ASME Trans. J, Journal of Heat Transfer)を導き,人工透析器の改良に資する情報を提示した.さらに,医療工学への応用として,人工心肺を考えた.人工心肺の巨視的物質移動の式(東海支部第61期総会講演会2012,人工心肺の数学モデル,口頭,2012年3月15-16日)を多孔質体理論より導出し,輸送論に基づく人工心肺の設計指針を示した.また,本手法の有用性を確かめるべくタワー型太陽光発電への応用を考えた.ボリューメトリックレシーバー内の局所非熱平衡モデルの解析解(Sano Y, Nakayama A, Effects of thermal dispersion on heat transfer in cross-flow tubular, heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 48, Issue 1,pp.183-189)を導出した.その結果,レシーバー最大効率を迎える最適な気孔径が存在することが分かった.本研究を通し,バイオ伝熱のような構造が複雑な系の一般的な解析手法を多孔質体理論の統一的展開を考えることにより確立した.今後,本手法が活用されることにより,医療工学およびバイオ工学などのさらなる発展が期待される.

The main purpose of this study is to establish a general analytical method for the determination of heat transfer systems by applying the theory of anisotropic porous bodies. In this paper, the basic theory of volume average of biological heat transfer is established. As a result, the whole organism was established as a whole (48th Japanese Journal of Heat, Organism, June 1-3, 2011). The prediction of temperature field in vivo is possible, and the accuracy of freezing and thawing therapy is improved. Second, the focus of medical engineering is on the application of this technique. Artificial dialyzer (artificial dialyzer): 8000mm hollow structure, the theory of anisotropic porous body is applicable to the movement of substances in artificial dialyzer. As a result, the basic equations for analyzing a countercurrent dialyzer system (Sano Y, Nakayama A, A porous media approach for analyzing a countercurrent dialyzer system, ASME Trans. J, Journal of Heat Transfer) provide guidance and information on the improvement of artificial dialyzers. Today, medical engineering and application, artificial heart and lung test. The Material Movement Formula of Artificial Heart and Lung (Tokai Branch 61st Conference Lecture 2012, Mathematics of Artificial Heart and Lung, Oral, March 15-16, 2012). The utility of this method is verified by the application of solar radiation. The solution of thermal equilibrium in the heat transfer system (Sano Y, Nakayama A, Effects of thermal dispersion on heat transfer in cross-flow tubular, heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 48, Issue 1, pp. 183 -189) is introduced. As a result, the maximum efficiency is met by the optimal aperture. In this study, we establish a general analytical method for the complex structure system and a unified development of porous body theory. In the future, this method will be used for medical engineering and engineering development.