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解析事例・インタビュー

埼玉大学大学院
血管や気管内の流れを予測し、
工学の視点から生物を読み解く

[前編] 埼玉大学 大学院 理工学研究科のバイオメカニクス研究室では、SCRYU/Tetra®を駆使して医療や生物に関するテーマに取り組んでいる。医療分野に工学分野の視点を持ち込むことによって、従来は解けなかった医療分野の課題の解決を目指す。さらに生物の機能を取り込んだバイオミメティクスへの応用にも取り組んでいるという。

写真1 埼玉大学 大学院 理工学研究科 
機械科学系専攻 バイオメカニクス研究室 
准教授 中村 匡徳 氏

 埼玉大学 大学院理工学研究科 機械科学系専攻 バイオメカニクス研究室は、機械工学をベースに生物に関わるさまざまな流れを研究するとともに、医療現場などへの応用展開にも取り組む、工学部としてはユニークな研究室だ。研究室ではSCRYU/Tetraを使って大きく3つのテーマに取り組んでいるという。一つは心臓弁の奇形に由来する病気の発症メカニズムの解明だ。二つめは、脳動脈瘤のバイパス手術の事前検討のための研究である。三つめは、バイオミメティクスや分類学への応用も視野に入れた、鳥類の呼吸器官の仕組みの解明だ。同研究室の中村匡徳准教授(写真1)に、その詳細について伺った。


​心臓弁奇形に由来する血管病の発症機序をさぐる

 心臓から大動脈へと血流が送り出される出口には、血液が逆流しないように弁がある。この弁は通常3枚からなるが、大動脈弁二尖弁症という病気では弁が2枚しかない。これは先天的奇形の一種で1000人に1人の割合で発症するが、通常は問題なく生活できるため気付かずに過ごすことがほとんどだ。だが30~50歳代頃になると、弁を出た先の大動脈の一部が膨らみ大動脈瘤となる頻度が、通常の人に比べてはるかに多くなるという。中村准教授は、自治医科大学附属さいたま医療センターおよび自治医科大学 心臓血管外科部門と共同で、その原因を探っている。この場合、大動脈瘤の原因は2つ考えられる。一つは、もとから遺伝的に何らかの欠損があるため、血管に関しても遺伝的に何か問題があるのではないかという説だ。もう一つは、大動脈二尖弁症による流れのパターンの変化が大動脈瘤を引き起こしているという可能性だ。これらのいずれか、または両方が原因である可能性もある。

 中村氏らは、流れの変化が原因であるという考えに立って検証を進めている。実際の患者のCTやMRIなどの医療画像をベースにモデルを作成し、SCRYU/Tetraによる解析を行ったのが図1だ。MRIには血流の速度分布を取得できるものがあるため、個人の血液の状態と組み合わせたモデルを作ることができるという。

図1 SCRYU/Tetraによる弁から出た血管での
血流をシミュレーション
カラーコンター(赤:大、青:小)は壁面せん断応力。
入り口を1つ、出口を4つとして、上部の細い血管には圧力条件を与え、脈拍のある非定常解析 ※クリックで拡大

 図1を見ると、正常な場合は流線が血管に沿って滑らかに流れており、壁面せん断応力も高くない。一方、2枚の弁の場合、理由は不明だが必ず弁が石灰化することが知られている。そのため弁が開きにくく、血流がジェットになって血管の壁面に衝突する。衝突箇所の隣では、強い血流によって壁面せん断応力が大きくなっていることがわかる。細胞は、こする力に反応して機能を失ったりすることが知られているため、壁面せん断応力の大きな場所に異常が発生する可能性がある。

 さらに原因を特定するために、ブタを使った実験も行っている。3枚の弁のうち2枚をつなぎ合わせて、日を置いて取り出すと、たった2、3日後でも血管の細胞に変化が起きていることが確認できたという。「病気が発生するのは、すぐではなく数十年先だと考えられますが、血管の変化はすぐ起こることまでは分かっています」(中村氏)。今後も実験と解析を繰り返しながら、本格的に発病のメカニズムを探っていく予定だ。

 

血管の手術には流体解析が必要

 研究室では、バイパス手術によって脳血管内の血流がどう変化するか予測する研究も、国立循環器病研究センター、および早稲田大学TWInsと共同で行っている。脳血管において脳動脈瘤が発生することがあるが、この脳動脈瘤が膨らんで破裂すると、脳に致命的なダメージを与えてしまうため、破裂の前に手術が行われる場合がある。脳動脈瘤自体に対する手術は2通りある。一つはコイル塞栓術で、金属のワイヤーを脳動脈瘤の中に丸めて詰め、脳動脈瘤の中に血流が激しく流れ込むのを防ぐ。もう一つの方法は、脳動脈瘤の根元をクリップで止めてしまう方法だ。

図2 術前・術後3カ月
こぶ(脳動脈瘤)がなくなっている ※クリックで拡大

図3 術前、手術後1カ月、3カ月における末梢血管の抵抗値
=(各血管の出口圧力 - 右心房(静脈)の圧力)/流量 
※クリックで拡大

 だが脳動脈瘤が非常に大きくなると、この2つの方法が使えなくなる。そこで採用されるのがバイパス手術だ。脳の血管は複雑に張り巡らされており、その一部を繋ぐことで血流の経路を変え、脳動脈瘤へ流れる血液の量をコントロールする。どこをつなげるかについては、従来は医師の経験と勘に頼っていた。この検討段階で、バイパス手術後の血液の流れを予測できれば、手術リスクを減らすことができるのではないかと中村氏らは考える。「例えば建築業では設計士による構造計算を含めた設計段階と、大工による施工に分かれます。ですが医療においては、手術をする際に医師が計画から執刀までの全てを担っています。血流は力学的な現象ですので、血管手術においては、工学者もその設計の一翼を担うべきだと思います」(中村氏)。


手術後の血液の流れを予測する

 ただしシミュレーションによって手術後の流れを予測するには課題もある。従来は、末梢血管の抵抗値は術前も術後も同じという前提で、術後の血流予測を行っていた。だが血管には自動調節機構もあり、術後には抵抗値が変化している可能性がある。そこで血液の流速が測定できるMRIを使い、患者の術前と術後における流速を比較した。そのグラフが図3だ。術前と手術後1ヵ月、3ヵ月で流速が変化していることがわかった。脳血管は非常に細い血管であることや、流速は多くの箇所で取れないなど難しい面もあるが、CFDと合わせながら今後も症例を増やし、事前予測を実現したいという。

※SCRYU/Tetraは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本インタビュー記事に記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本インタビュー記事の内容は2016年4月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。

プロフィール

 

埼玉大学
大学設置 1949年
学校種別 国立
所在地 埼玉県さいたま市
URL http://www.saitama-u.ac.jp/

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