(57)【要約】【課題】生存しているヒトの血流の解析を容易に行うことができる流れ場可視化装置、液体流路モデルの製造方法及び血流シミュレーション方法を提供する。【解決手段】ＭＲＩ等の臨床用診断装置を用いてヒト等の血管の２次元断層データを収集する。次に、２次元断層データを用いて血管の３次元モデルの形状を算出し、血管内部の型を設計する。次いで、粉体積層型ＲＰ造形システムを用いて、血管内部の型を作製する。その後、成形材料としてシリコーンゴムを用いて型から血管実体モデルを成形する。続いて、血管実体モデル内に、トレーサを含み濃度が３０重量％乃至５６重量％のグリセリン水溶液を通流させる。そして、トレーサの移動量から血管実体モデル内のグリセリン水溶液の流れ方を解析する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコーンゴムからなり、その内部を液体が流れ、外部から前記液体の流れを観察することができる液体流路モデルと、
前記液体として用いられるグリセリン水溶液と、を有することを特徴とする流れ場可視化装置。
【請求項２】
前記液体流路モデルは、ヒトの血管の少なくとも一部の模型であることを特徴とする請求項１に記載の流れ場可視化装置。
【請求項３】
前記グリセリン水溶液の濃度は、３０重量％乃至５６重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の流れ場可視化装置。
【請求項４】
粉体積層型ＲＰ造形システムを用いて、血管内部の型を作製する工程と、
成形材料としてシリコーンゴムを用いて前記型から血管実体モデルを成形する工程と、を有することを特徴とする液体流路モデルの製造方法。
【請求項５】
前記型を作製する工程の前に、
臨床用診断装置を用いて血管の２次元断層データを収集する工程と、
前記２次元断層データを用いて前記血管の３次元モデルの形状を算出し、前記血管内部の型を設計する工程と、を有することを特徴とする請求項４に記載の液体流路モデルの製造方法。
【請求項６】
臨床用診断装置を用いて血管の２次元断層データを収集する工程と、
前記２次元断層データを用いて前記血管の３次元モデルの形状を算出し、前記血管内部の型を設計する工程と、
粉体積層型ＲＰ造形システムを用いて、前記血管内部の型を作製する工程と、
成形材料としてシリコーンゴムを用いて前記型から血管実体モデルを成形する工程と、
前記血管実体モデル内に、トレーサを含み濃度が３０重量％乃至５６重量％のグリセリン水溶液を通流させる工程と、
前記トレーサの移動量から前記血管実体モデル内の前記グリセリン水溶液の流れ方を解析する工程と、を有することを特徴とする血流シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脳動脈瘤等における血液の流れ場の解析に好適な流れ場可視化装置、液体流路モデルの製造方法及び血流シミュレーション方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
わが国における急速な超高齢化の進行に伴い、粥状動脈硬化症を主とする心臓、頸部血管、脳血管、大動脈疾患が年々増加しており、これらの症状に対する研究の重要性が社会的及び医学的に高まっている。冠状動脈閉塞による急性心筋梗塞、頸動脈分岐部閉塞や脳内主幹動脈閉塞による脳梗塞、脳動脈瘤破裂によるくも膜下出血、大動脈瘤破裂、腹部大動脈や下肢動脈閉塞による下肢壊死等は極めて重篤である。
【０００３】
これらの病変のうち、例えば、粥状動脈硬化症は頸動脈分岐部に発生しやすく、脳動脈瘤は内頸動脈後交通動脈分岐部・前交通動脈・中大脳動脈分岐部に発生しやすく、解離性大動脈瘤は頸部大血管起始部を血液流入部として発生しやすい。このため、古くから、血流動態に伴う血管壁に加わる圧力によって生じる主応力や剪断応力等による血管壁の力学的・機械的な破綻が原因の一つであると考えられてきた。そして、これらの解明のために血流動態解析が重要であると考えられ、血管病変分野における具体的な臨床応用を目指した生体力学シミュレーション技術の開発競争が世界的に始まっている。
【０００４】
一方、臨床においては、このような血管病変に対する治療方法の開発及び改良が進行中である。また、臨床に応用できる血流解析方法として超音波ドップラー検査等があるが、観察できる範囲が限られており、全身血管に対する解析方法は確立されていない。更に、血流解析に基づく個々の患者に対する病変発症予測と、発症後のリスクに対する定量的な評価に基づく治療方法も確立されていない。
【０００５】
個々の患者又は健常者の冠状動脈、頸動脈、脳血管、大動脈、下肢動脈の血流動態が正確に評価でき、血流動態と病変発症メカニズムとの関係を解明することができれば、これらの血管病変の発症を個々に予測したり、予防したりすることが可能となる。つまり、効率的かつ効果的な治療に加えて、予後の改善にも寄与することも可能となる。
【０００６】
また、米国やカナダでは、医学と計算工学の混成チームが構成され、大規模な臨床応用システムの開発が行われ始めている。その対象は、主に米国において臨床的に重要な頸動脈の動脈硬化、下肢の血管閉塞等である。また、欧州においても、主に冠状動脈の疾患に対する侵襲的治療方法の方針の決定とその効果の判定、予後予測等の手法の開発が盛んである。わが国においては、臨床応用の基礎を提供する大規模な生体力学シミュレーションが進行中である。
【０００７】
血管実体モデルの製作に関しては、臨床医学領域において人体血管モデルとして屍体血管そのものを使用してシリコーン製レプリカを作製することも行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のレプリカの価格は１体当たり５０万円程度と極めて高価であり、実用化に適当だとはいえない。また、作製されたレプリカに流体を流して血流動態を解析する研究も行われているが、現在生存し、これから治療を施そうとする患者や発症を予防しようとする健常者に対して、個々にデータを収集し、このデータに基づいてインビトロで高い精度で再現することはできない。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、現存しているヒトの血流の解析を容易に行うことができる流れ場可視化装置、液体流路モデルの製造方法及び血流シミュレーション方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【００１１】
本願の第１の発明に係る流れ場可視化装置は、シリコーンゴムからなり、その内部を液体が流れ、外部から前記液体の流れを観察することができる液体流路モデルと、前記液体として用いられるグリセリン水溶液と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本願の第２の発明に係る液体流路モデルの製造方法は、粉体積層型ＲＰ造形システムを用いて、ヒト等の血管内部の型を作製する工程と、成形材料としてシリコーンゴムを用いて前記型から血管実体モデルを成形する工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本願の第３の発明に係る血流シミュレーション方法は、臨床用診断装置を用いてヒト等の血管の２次元断層データを収集する工程と、前記２次元断層データを用いて前記血管の３次元モデルの形状を算出し、前記血管内部の型を設計する工程と、粉体積層型ＲＰ（Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）造形システムを用いて、前記血管内部の型を作製する工程と、成形材料としてシリコーンゴムを用いて前記型から血管実体モデルを成形する工程と、前記血管実体モデル内に、トレーサを含み濃度が３０重量％乃至５６重量％のグリセリン水溶液を通流させる工程と、前記トレーサの移動量から前記血管実体モデル内の前記グリセリン水溶液の流れ方を解析する工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る流れ場可視化装置を示す模式図である。
【００１５】
本実施形態に係る流れ場可視化装置は、本発明を人体の血管模型に適用したものであり、血管モデル１は大別して大動脈モデル及び頸部血管モデル（図示せず）から構成され、この血管モデル１に拍動流ポンプ２及び流体容器３が繋げられている。このような血管実体モデル（血管モデル１）は、次のようにして製造されている。図２は、人体の血管実体モデルを製造する方法を示すフローチャートである。
【００１６】
先ず、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置、ＭＲＩ（磁気共鳴画像：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）装置、回転血管撮影装置等の臨床用画像診断装置を用いて、治療を施そうとする患者、診断を行おうとする健常者等の対象者の血管の２次元断層画像データを取得する（ステップＳ１）。２次元断層画像データとしては、例えばＤＩＣＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ａｎｄ  ＣＯｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）に適合したものを用いる。
【００１７】
次に、２次元断層画像データを、例えばブロードバンドのネットワークを介して、２次元断層画像データから３次元モデルの設計を行うことができるコンピュータに伝送する（ステップＳ２）。
【００１８】
そして、２次元断層画像データを受信したコンピュータを用いて３次元モデルの設計を行う（ステップＳ３）。
【００１９】
次いで、粉体積層型ＲＰ（Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）造形システムを用いて、血管内壁面形状、即ち人体から血管をそのまま取り出したような形状の主型（マスターモデル）を作製する（ステップＳ４）。
【００２０】
そして、主型を型マスターとして、例えばシリコーンゴム、ポリエステル樹脂又はアクリル樹脂製の血管実体モデルを作製する（ステップＳ５）。血管実体モデルとしては、図７に示すブロック状中空型血管モデルであってもよく、図８に示す膜状中空型血管モデルであってもよい。但し、血管実体モデルの弾性及び壁面性状は、対象者のそれらに近似するようにすることが好ましい。
【００２１】
シリコーンゴム製の血管実体モデルでは、その内部に流す流体（作動流体）としてグリセリン水溶液（重量濃度：４３±１３％）を用いると、シリコーンゴムの屈折率とグリセリン水溶液の屈折率との整合性により、透過像の歪みがほとんど消失する。一般に、血管の形状は極めて複雑であるため、そのモデルの形状も複雑なものとなり、図３（ａ）に示すように、空気中では、壁面での光の屈折が生じやすく、この屈折により透過像に歪が生じる。また、モデルを水中に沈めた場合にも、図３（ｂ）に示すように、格子状の背景が湾曲して観察されてしまう。このような場合、背景に描かれた格子をそのまま基準として用いることができず、作動流体の流れ解析を行う際に多くの計算が必要とされる。これに対し、上述のような材料の組み合わせを採用することにより、図３（ｃ）に示すように、格子状の背景が湾曲することなくそのまま観察される。この場合には、背景に描かれた格子をそのまま基準にして解析を行うことができるため、計算量が著しく少なくて済むようになる。
【００２２】
また、グリセリン水溶液の密度及び粘度は、人体の血液のそれに近似している。このため、グリセリン水溶液は特に血流シミュレーション用の液体として極めて好適である。
【００２３】
次に、上述のようにして製造した血管実体モデルを用いた血流シミュレーション方法について説明する。図４は、人体の血管実体モデルを用いた血流シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【００２４】
先ず、作動流体を選定する（ステップＳ１１）。作動流体としては、その粘度及び密度が対象者のそれらに近似しているものを用いることが好ましく、例えば重量濃度が４３±１３％（３０重量％乃至５６重量％）のグリセリン水溶液又は重量濃度が４０〜７０％程度のヨウ化ナトリウム水溶液を選択する。ヨウ化ナトリウム水溶液は６０℃程度の温度でも使用可能であるが、溶質が高価（１０，０００円／ｋｇ程度）であると共に、金属に対する腐食性を具えている。また、ヨウ化ナトリウム水溶液の作成後、数週間経過すると変色することもある。従って、ヨウ化ナトリウム水溶液よりもグリセリン水溶液の方が好ましい。
【００２５】
次に、上述のように作製した血管実体モデルに、作動流体を用いてヒト（対象者）の血流波形と同じ波形の拍動流を流す（ステップＳ１２）。このとき、作動流体のレイノルズ数が対象者の血管内のものと一致するように波形等を調整することが好ましい。
【００２６】
そして、血管実体モデルにおける作動流体の動態を解析し、血管壁が受ける圧力等を測定する（ステップＳ１３）。このとき、作動流体の動態を効率的に計測し、診断するために、例えば、粒子画像流速測定法（ＰＩＶ：Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）を基礎とした高速度多次元流れ場計測システムを用いる。図５は、高速度多次元流れ場計測システムを示す模式図である。この計測システムを用いた測定では、例えば、血管実体モデル１１内に、トレーサを含んだ作動流体を通流させながら、血管実体モデル１１に光源１２から光を照射する。そして、ＣＣＤカメラ１３を用いて時刻ｔ及び時刻ｔ＋ｔ´におけるトレーサの各位置を検出し、トレーサの変位から流速ベクトルを算出する。このようにして得られる流速ベクトルは、例えば図６に示すようなものとなる。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すモデルの白線で囲まれた領域に相当する。なお、図６に示す例は単眼撮影法による２次元のものであるが、多眼撮影法等により、互いに平行でない２方向（例えば、互いに直交する２方向）から観察を行うことで、３次元の流速ベクトルを得ることができる。
【００２７】
次いで、血管壁にかかる圧力等の測定結果に基づいて、将来の血管狭窄、動脈瘤の発生及びその破裂の時期や態様を推定する（ステップＳ１４）。この結果、動脈性疾患の患者に対する予後を予測することが容易になると共に、治療計画を立てやすくなる。また、血管狭窄や破裂に対する治療に伴う合併症を減少させたり、医療費を削減したりすることも可能である。
【００２８】
脳動脈瘤、脳血管や頸部の血管狭窄、胸腹部や下肢の動脈の動脈瘤や狭窄性病変の血流動態を解析することにより、病態を把握し、病気の予後予測を行うことができる。また、手術、血管内治療等の治療計画支援に役立つと共に、これらの治療結果の推定も可能であり、治療に伴うリスクが大幅に減少する。
【００２９】
特に、脳動脈瘤は一旦破裂してくも膜下出血が発症すると、２／３の患者は死亡するか、又は神経脱落症状を呈しているため、従来、わが国では、脳動脈瘤を積極的に発見するために、脳ドックが広く行われている。そして、どのような脳動脈瘤が将来破裂するかという脳動脈瘤の自然経過が十分に解明されていないため、脳ドックや臨床の現場では、脳動脈瘤が発見されると、積極的に治療が行われている。しかし、脳動脈瘤の全てが破裂するわけではなく、破裂する可能性が低い脳動脈瘤に対しても積極的な治療が行われているともいえる。このような状況は、治療に伴うリスクが脳動脈瘤の破裂というリスクを上回ることにもつながりかねない。
【００３０】
これに対し、本実施形態によれば、脳動脈瘤内の血流動態解析により、動脈瘤壁に係る応力等を求めることができる。このため、将来的に破裂する可能性がある脳動脈瘤を見極めることが可能となる。従って、将来的に破裂する虞がある脳動脈瘤のみに対して治療を行うことが可能となり、脳動脈瘤の治療に伴う合併症の減少及び医療費の削減に寄与することができる。
【００３１】
また、健常者の血管形態データを非侵襲的に得て、患者に対する解析と同様の血流解析を行うことにより、頸動脈分岐部の狭窄や解離性大動脈瘤等の将来の血管病変の発生を予測することができると共に、予防医学にも貢献することができる。
【００３２】
なお、血流実体モデルを構成するシリコーンゴム中に顔料を添加しておくことが好ましい。これは、流れ解析の照射する光線を適切に選べば、血管壁の輪郭が明確に観察可能になるからである。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、現存しているヒト血管の血流解析を容易に行うことができる。また、屍体血管を使用する必要もないため、コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る流れ場可視化装置を示す模式図である。
【図２】人体の血管実体モデルを製造する方法を示すフローチャートである。
【図３】作動流体の種類に応じた観察具合の相違を示す図である。
【図４】人体の血管実体モデルを用いた血流シミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図５】高速度多次元流れ場計測システムを示す模式図である。
【図６】流速ベクトルの位置例を示す模式図である。
【図７】ブロック状中空型血管モデルを示す模式図である。
【図８】膜状中空型血管モデルを示す模式図である。
【符号の説明】
１：血管モデル
２：拍動流ポンプ
３：流体容器
１１：血管実体モデル
１２：光源
１３：ＣＣＤカメラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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