ABML2011

OS2-1

2011年11月3日-5日 東京（芝浦工業大学）

オリフィス管内血液流れでのせん断速度の血栓形成速度への影響
Effects of shear rate on thrombus formation rate in pipe orifice blood flow
○玉川雅章（九工大），守屋良治（九工大院），元岡亮輔（九工大工）
Masaaki TAMAGAWA, Kyushu Institute of Technology
Ryoji MORIYA, Kyushu Institute of Technology
Ryosuke MOTOOKA, Kyushu Institute of Technology

Abstract: This paper describes visualization of thrombus formation process on orifice flows
by laser sheet beam. The aim is to investigate the effects of shear stress or shear rate on thethrombus formation or thrombus formation rate. In this investigation, by visualization of thethrombus formation in blood plasma flow, it was found that the high shear rate region of theflow has large effects of the thrombus formation.
Key Words: Blood flow, Shear rate, Thrombus formation
１．緒言が BF 形状のオリフィス後部の位置を示している．また，Ｃ

近年，遠心血液ポンプをはじめとする人工臓器の開発が盛んに行われているが，その開発において血栓が大きな問題となっており，医用流体機器の代表である人工臓器やステントの開発にあたり血栓形成の工学的な予測法の確立が急務となっている．しかし，これまで行ってきた CFD による血栓形成予測モデル(1)では，凝集や固着のパラメータが必要となっている．そこで，これらのパラメータの同定のため，実験による血栓形成の実験，すなわち血栓形成の可視化が必要となっている．本研究で目的とするのは，各種のせん断流れ場での人工壁面での血栓の付着の観察を行い，付着箇所やせん断速度場との相関性を調べることである．
本報では，これまでの可視化結果によって得られた輝度値分布と濃度分布の関係と形状の違い（せん断速度の違い）

Fig.1 Orifice geometries for observation of thrombus
formation on plasma flowsと血栓形成面積増加率の相関を調べることとする．
2

血栓の可視化実験
これまでの実験と同様に上流下流の変化を含め５種類の形状のオリフィス管(Fig.1)を用い，回路内にはオリフ

t=400[s]ィス管(アクリル製)，流量計，ローラーポンプ，温度計，ウォータバスからなり，回路内の長さは総計 5[m]で流量は 5[l/min]である． また，可視化および PIV 計測のた

t=420[s]めの光源は，シート厚さ約 1mm のレーザーシー光を作り，オリフィス管中心軸に照射する．これにより，血栓形成の可視化ならびに流れの可視化(PIV)が可能となる．血漿水の凝固能を戻すために，硫酸プロタミンを注入してそt=440[s]の固着過程を観察する．また，アクリル表面上に各種の親水性コーティングを行い，壁での血栓吸着力を変化させることができるようになっている．

t=460[s]3 輝度分布と濃度分布
これまでの研究でも明らかにしているが，輝度値分布

t=480[s]の変化を輝度値が上昇する時間周辺で示したものがFig.2 である．この図は，BF 形状の輝度値分布で，x=0

Fig.2 Brightness distribution in the flow (BF)
OS2-1-1

0.5ＦＤから得られた流線のうち，はく離・再付着のものを図中に示す．図中のカラーの等高線は，輝度値を示すが，既に予備実験から得ているように濃度分布をも同時に示すこ0.4とになっている．この図から，再付着点近傍から血栓形成が始まっていることは，これまでの結果と同様である．一r/D

方，輝度上昇について見てみると，光学の散乱原理から見0.3れば，血漿水の濃度（タンパク質成分：低分子量）の散乱

400s
420s
440s
460s
480s

0.2から，血しょう板が活性化された後に生成されるフィブリン（高分子量）に変化することも考慮すれば，輝度の上昇0.1の度合いが変化し，同じ光量に対して散乱強度が大きくなることが予測される．これを確認するため，再付着点より00も下流での輝度値分布を時間をパラメータとして示したものが，Fig.3 である．図中の実線が壁からの距離の指数関0.20.40.6
Brightness

0.81Fig.3 Brightness distribution at x/D=4数での近似線を示す．これから，t=460(s)から r 方向の分4布が急速に上昇していることがわかる．この近似線を求めるにあたり指数関数の係数，すなわち，拡散係数αを求め，3 .5

各時間ごとにプロットしたものが Fig.4 である．この図か
3αら，t=460(s)以降に大きく上昇することがわかる．すなわ
ち，輝度上昇の空間分布が，t=460(s)以降に大きく変化し2 .5て，低分子量の散乱強度から高分子量の散乱強度へ変化し2たことが，この結果からわかる．これらから，低分子量と高分子量の両方の光散乱のモードが存在していることがわ

1 .5400

420440T im e [ s ]かる．

460480

Fig.4 Time history of diffusion coefficient α
4 せん断速度の空間積分を用いた血栓形成評価

1

血栓形成の成長を各形状で定量的に捕らえるため，壁面S とし，この面積の時間変化を示したものが Fig.5 である.
これから，Fig.2 の輝度値分布の変化にも対応するが，血栓領域の変化を知ることができる．さきの濃度変化同様に血栓成長の度合いを面積の増加によって示すことができる
こともわかる．したがって，本報では，このグラフの時間変化率，すなわち dS dt を，血栓形成の速度 Rs と定義す

0.8

Dimensionless area S

近傍での空間平均された輝度分布のしきい値以上の面積を0.60.40.2Rs0る．次に，せん断速度のしきい値(Dth)を考慮した空間積分-0.2を下記のように定義する．

T .F .R =∫∫ DUΔV∫ ΔV⎧ 0 ( D ≤ Dth )D=⎨⎩ 1 ( D > Dth )0 100 200 300 400 500 600 700 800
Time [s]Fig.5 Brightness history near the wall
1.4を示したものが Fig.6 である．なお，Dth=500 としている．
ここでは，各形状の具体的なせん断速度分布は示さないが，局所的なせん断速度場が血栓形成に影響を及ぼしていることが考えられる．その機構として推測されるのは，せん断応力によって反応する血小板や血漿水中のタンパク質が活性化されやすくなっているためと考えられる．今後，上述の Euler 的評価法の他に Lagrangian 的評価法の検討を行う
予定である．
参考文献[1]Masaaki
TAMAGAWA,
Hiroaki
KANEDA,
Sho
NAGAHAMA,Miki
HIRAMOTO,
Artificial
Organs, ,Vol.33,No.8, pp.604-610,2009
OS2-1-2Thrombus formation rate Rs

Fig.1 の各形状と T.F.R.と上述の実験で得られた Rs の相関

1.3
1.2

ABAFBB
BF
CB

1.1
1
0.9
0.8
0.5

1
1.5
2
2.5
3Index of Thrombus formation T.F.R

Fig.6 Correlation between thrombus formation rateand prediction index for 5 geometries