埼玉大學大學院理工學研究科的生物力學實驗室正在充分利用SCFLOW&SCRYU/Tetra®來研究醫學和生物主題。通過將工程領域的觀點帶入醫學領域，我們旨在解決醫學領域過去無法解決的問題。它還正在努力研究將具有生物機體功能的生產品的應用。

照片1
埼玉大學大學院理工學系機械科學系　生物力學研究室副教授中村正典先生

　埼玉大學科學與工程研究生院機械科學系的生物力學實驗室是工程學院的一項獨特研究，研究基于機械工程的生物學相關的各種趨勢，并致力于醫學領域的應用開發。據說實驗室正在使用SCFLOW&SCRYU/Tetra研究三個主要主題。一種是闡明由心臟瓣膜畸形引起的疾病的發病機理。第二項是對腦動脈瘤搭橋手術的初步檢查的研究。第三是闡明鳥類呼吸器官的機制，以期應用于仿生學和生物分類學。我們詢問了同一實驗室的中村正典副教授（照片1）的詳細信息。

探索由心臟瓣膜畸形引起的血管疾病的致病機理

　出口處有一個閥門，血液從心臟流到主動脈，以防止血液回流。該瓣膜通常由三個組成，但在稱為主動脈瓣二尖瓣外翻的疾病中，只有兩個瓣膜。這是一種先天性畸形，發生在千分之一的人中，但是大多數人大部分時間都沒有被注意，因為他們可以毫無問題地生活。但是，在30年代和50年代，瓣膜末端的部分主動脈腫脹并比正常人更容易變成主動脈瘤。中村副教授正在與自治醫科大學附屬的埼玉醫學中心和自治醫科大學心血管外科共同合作調查原因。在這種情況下，有兩種可能的主動脈瘤原因。一種理論認為血管可能存在某些遺傳問題，因為從一開始就存在某種遺傳缺陷。另一種可能性是由于主動脈瓣膜疾病引起的血流模式改變導致主動脈瘤。可能是這兩者之一或兩者都是原因。

　Nakamura等人正在研究由流量變化引起的設想進行驗證。圖1顯示了基于醫學圖像（例如實際患者的CT和MRI）創建的模型，并通過SCFLOW&SCRYU/Tetra進行了分析。由于某些MRI可以獲取血流的速度分布，因此可以創建與個人血液狀況相結合的模型。

　從圖1可以看出，在正常情況下，流線沿著血管順暢地流動，并且壁面剪切應力不高。另一方面，在兩個閥的情況下，已知閥總是由于未知原因而被鈣化。因此，瓣膜難以打開，并且血流變成射流并且與血管的壁表面碰撞。可以看出，壁面剪切應力由于靠近碰撞點的強血流而增加。由于已知細胞會因摩擦力而失去功能，因此在壁面剪切應力較大的地方可能會發生異常。

圖1通過scflow&SCRYU / Tetra模擬從瓣膜血管中的血流。
顏色輪廓（紅色：大，藍色：小）是壁面剪切應力。帶有一個入口和四個出口的脈沖非穩態分析，對上部小血管施加壓力條件

　為了進一步查明原因，我們還使用豬進行了實驗。當將三個瓣膜中的兩個瓣膜接合在一起并在一段時間后取出時，可以確認即使在幾天后血管中的細胞也發生了變化。中村說：“我認為這種疾病將在幾十年后發生，而不是立即發生，但我們知道血管的變化將很快發生。” 我們計劃繼續通過重復實驗和分析來認真探索疾病的發病機理。

血管手術所需的液體分析

　在實驗室中，我們還與美國國家心血管研究中心和早稻田大學TWIns合作，進行了研究以預測由于搭橋手術而導致的腦血管血流的變化。腦動脈瘤可能會在腦血管中發生，但是如果腦動脈瘤腫脹和破裂，會對大腦造成致命的傷害，因此可以在破裂前進行手術。腦動脈瘤本身有兩種手術類型。一種是線圈栓塞術，其中將金屬絲卷成腦動脈瘤并包裝以防止劇烈的血液流入腦動脈瘤。另一種方法是修剪腦動脈瘤的根部。

　但是當腦動脈瘤變大時，無法使用這兩種方法，需要采用旁路手術。大腦的血管被復雜地拉伸，并且通過連接其中的一些血管，改變了血流路徑，并控制了流向腦動脈瘤的血液量。傳統上，醫生在連接位置上依賴于他們的經驗和直覺。Nakamura等人認為，如果可以在此檢查階段預測旁路手術后的血流量，則可以降低手術的風險。“例如，在建筑業中，它分為設計階段，包括設計師的結構計算和木匠的建筑。但是，在醫療方面，醫生負責從計劃到手術的所有工作。這是一種機械現象，因此我認為工程師應該在血管外科的設計中發揮作用。

圖2手術前和手術后三個月駝峰（腦動脈瘤）消失了。

圖3手術前，手術后1個月和3個月的外周血管阻力=（每個血管的出口壓力-右心房（靜脈）壓力）/流量

預測手術后的血流量

　但是，在通過仿真來預測手術后的流量方面存在問題。傳統上，在假定手術前后外周血管的阻力值相同的前提下進行術后血流預測。然而，血管也具有自動調節機制，并且手術后血管阻力可能會改變。因此，我們比較了使用MRI可以測量血流速度的患者手術前和手術后的血流速度。該圖如圖3所示。發現流速在手術前以及手術后1個月和3個月時發生了變化。腦血管是非常細的血管，存在很多地方難以進行流速檢查等難題，但他希望在將來與CFD相結合的同時增加病例數并實現提前預測。

檢查鳥類的呼吸系統如何運作

　鳥類的“飛行”行為非常繁重，以至于需要大量的氧氣。因此，鳥類的呼吸器官的結構與人類的器官完全不同。人體呼吸器官是一種往復式器官，它將空氣從支氣管送到肺部，然后再將其從體內排出。但是，對于鳥類，空氣在肺內沿一個方向傳播，因此可以連續交換氣體（圖4）。

　鳥體內的空氣流是環狀的，但只有一個入口。進入回路時，空氣僅沿一個方向行進，而沒有相反的方向流動。由于這個原因，已經認為在環的前面的突起起作用，但是沒有真正驗證過。因此，Nakamura等人通過對整個鳥類呼吸器官的CT掃描創建了一個分析模型，并模擬了氣流。結果發現，突起實際上形成了單向流動。可以確認，這些突起使流路的截面積變窄，速度加快，并且筆直地前進而沒有流到頂部（圖5）。可以說，這是第一次通過仿真實現可視化來確認該機制。

 
（左）圖4鳥類呼吸器官（肺周圍有氣囊的結構）
（右）圖5鳥類氣管分叉處的血流模擬。流動方向由突起結構（上圖中的紅色圓圈）控制。　

　中村說，鳥類的功能可以應用于仿生。流體機械通常使用閥門使流體沿一個方向流動。對于前一個案例的核心也是如此。但是，即使沒有閥門，鳥類也可以向一個方向發送空氣。擁有閥門是一種復雜的機制，并且可能會由于長期施加在閥門上而損壞。通過從鳥類的呼吸器官中學習，可以將其應用于例如不易破裂的散熱器和透析器以及難以制成精細結構的MEMS。

　中村說，這項研究也可能有助于生物學。這是將機械觀點引入生物學的過程。此外，鳥類與爬行動物有相似之處，并且恐龍也有氣囊。通過考慮流體和形態之間的關系，似乎可以廣泛地應用。

照片2中村實驗教授

高計算穩定性

　實驗室使用多個CFD軟件，因為有多個項目，包括那些在大學以外工作的項目。Scflow&SCRYU / Tetra認為其中的計算穩定性很高。當我使用完全相同的網格進行比較時，其他同類CFD軟件發散了，但是看來我可以使用SCRYU/Tetra進行計算而沒有任何問題。

　在SCFLOW&SCRYU/Tetra中，易于使用性以及專業技術支持團隊的支持對日常分析工作有很大幫助。一名學生說：“我不了解的大多數東西都可以通過幫助搜索解決。日語也很容易使用。” “能夠立即在電話上收聽支持也很有幫助，”（中村先生）。他還喜歡這樣一個事實：與其他工具相比，SCFLOW&SCRYU/Tetra的可視化效果更好。由于圖像可以并排排列，因此易于在不同條件下進行比較，并且可以保存視點，從而易于使用。

　對SCFLOW&SCRYU/Tetra功能的要求是知道某個區域中粒子的平均壽命。另外，如果旋流和在流道橫截面中更容易輸入變化分布，則將更容易使用。中村說：“這是我們的專長，因此我們可以使用用戶子程序進行設置，但這對醫療人員而言可能是一大障礙。” 對于醫療領域的人們來說，只需按一下按鈕，就能看到醫療領域中經常使用的指標，例如壁面剪應力等。

生物特有的困難

　本次分析中，創建網格是一項艱巨的任務，并且每次都要花費大量時間。與工業產品相比，生物具有復雜的形狀，例如彎曲和細微的不規則形狀，以及從粗大血管到細小血管的分支。作為原始數據的CT數據中也存在很多細節問題。DICOM是CT拍攝的醫學圖像的格式，可以導入圖像可視化軟件并創建了STL文件。閥門通過CAD單獨建模，并通過造型軟件調整形狀。他說，這些任務可能需要一周的時間。由于樣品的形狀每次都不同，因此每次都需要工作，并且當樣品進一步跳動時，會添加隨時間變化。如果要用于手術支持，可以進行自動化流程。

　這次，我們討論了生物領域獨有的SCFLOW&SCRYU/Tetra案例。將流體工程學應用于醫學和生物學領域正在穩步帶來新的見解。我期待著該領域的未來發展。