生体力学シミュレーション研究プロジェクト

理研外研究員（共同研究員）：深作和明

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[1]　脳動脈、脳動脈瘤における流体解析

図2 3D CTA由来の三次元構造を平滑化して行われた、脳動脈、Willis ring部の解析

図3 MR でのTag を用いた流れの可視化上矢状洞･の信号抑制部位（黒色のバンド）が時間経過に伴い、流されている

図1 脳動脈瘤例における血流解析
3D CTAから得られた三次元構造にCGで作成した仮想的なコイルを留置し、解析した。

図2 3D CTA由来の三次元構造を平滑化して行われた、脳動脈、Willis ring部の解析

図3 MR でのTag を用いた流れの可視化上矢状洞･の信号抑制部位（黒色のバンド）が時間経過に伴い、流されている

　血流パターンなどがその経過に大きな影響を及ぼしていると推定される脳動脈瘤などの疾患を対象に Comoutational fluid dynamics の手法を用いた解析が可能な環境を構築した。CT 血管撮影や MR 血管撮影などの医用画像データは基本的に連続した断面像として発生する。この連続した断層像から血管の三次元構造を抽出、CFD に渡し、解析（図1）した。医用画像データ単独では解像度が不足するため、劉先生や岩瀬先生により平滑モデル（図2）に進展させていただいた。主に脳動脈瘤に対する解析が行われたが、一部、頚動脈の高度狭窄の術前術後なども検討した。脳動脈瘤などの脳血管障害に対する治療の必要性や治療法の選択に重要な情報を提供できると期待している。
CFD の手法を利用するには境界条件を入手する必要がある。MR (phase contrast) が一般的であるが、MR で tag（図3）を用いた方法や超音波（図4）を用いた方法を紹介した。
また、流れに対する重力の影響を考慮できるよう、立位での血管撮影を試みた。
流体解析では計算機による解析だけでなく、モデルなどを用いた実験も重要と考え、上記の医用三次元画像から rapid prototyping を利用した血管の中空モデル（図5）を作成した。以前に報告のある死後の血管に樹脂を注入する方法と比べ、本法では生きている患者自身のモデルを作成、流体シミュレーションを含めた各種の応用が可能である。

図4-1 音波ドップラー法
触知可能な動脈の内部の流れのドップラー信号を体表面のプローブから得ている。

図4-2 音波ドップラー法
頭蓋内管でもドップラープローブを先端に取り付けたワイヤーを用いると流れの情報が得られる。

図5 中空な脳管モデル
RP 造形機によって得られたモデル（左）をシリコーン樹脂中に包埋し、モデルそのものを溶解することで、右のような脳管のレプリカ

（参考）
→劉浩のページ
→岩瀬英仁のページ
→横井研介のページ
→松永奈美のページ

[2]　カテーテルシミュレータの開発

　脳動脈瘤を主とした脳血管障害に対して、近年、血管内手術（図6）が開発された。
大腿部などから細管（カテーテル）を病変部に誘導して病的な血管を閉塞させたり開通させたりすることが可能である。頭を開けることなくカテーテル操作のみで頭蓋内疾患の治療が可能であるが、トレーニングが困難である。

図6 脳動脈瘤に対する管内手術（コイル塞栓術）
（左）のCG の様に動脈瘤内にコイルを留置することで瘤内での栓化を促し破裂を予防する。実際の手技では可能な限りのコイルを留置する。
（右）の1)の動脈瘤（黄色矢印）に3)のようなコイルを詰め、2)のように瘤内の流れを停滞させ、栓化を促進する。1)の青色の矢印はコイルを送り込むために使われたマイクロカテーテル上のX線不透過マーカ

　治療困難な場合やトレーニングを可能とするためにカテーテル手術のシミュレータの開発（図7）に着手した。現時点では、治療に当たって必ず併用されるガイドワイヤーの操作をシミュレートしている。血管構造には患者自身から得られた血管の三次元構造を用い、ガイドワイヤーの弾性をも考慮した。治療に当たって用いられる X 線透視装置の動きとそこから発生する画像に関してのシュミュレーションはほぼ完了している。
今後、カテーテルを含めた全体的なシミュレータへと発達することが期待される。さらに、アクチュエータと組み合わせれば、mastaer-slave system を構築して、遠隔治療やロボット手術への進展も可能と考えている。

図7 PHANToM を用いた遠隔操作システム
左側のPHANToM を操作すると、右側のPHANToM 6DF が術者操作を再現する。

図8 ガイドワイヤーシミュレータ
左のように医用画像データから作成した患者管の三次元画像の中に仮想的なガイドワイヤーを置き、右のようなエンコーダによって術者のガイドワイヤー操作を取り込み、ワイヤー操作をシミュレートしている。

既に haptic device である PHANToM を利用したガイドワイヤー操作の試み（図8）に成功している。

（参考）
→山村直人のページ

[3]　マイクロ CT による塞栓術用コイル微構造の観察

　血管内治療において用いられる塞栓材料の代表的なものはプラチナ製の離脱式コイルである。主に脳動脈瘤の内腔に留置し血栓化させるために用いられるが、その微細構造は、臨床用の透視装置では、観察することができなかった。理研のマイクロ CT を用いて、治療後の脳動脈瘤の摘出標本を観察したところ、瘤内でのコイルの破損（図9）が認められた。
コイル塞栓術中は何事もなく、又、臨床機での透視でもこのような破損は確認できなかったため、このような現象は知られていなかったものと思われる。
また、コイル塞栓術では瘤内体積の 20 - 30 % に相当するコイル留置がほぼ限界であり、瘤内の遅い流れは完全には停止していない可能性もある。また、動脈瘤の頚部ではコイルが常に血流に押され続けることとなる。このため、コイルの長期的な安定性が問題となっている。マイクロ CT などによるコイル三次元構造の計測は、コイルの長期的な変形に対しても計算機シミュレーションによる成果が期待できる。

図 9 マイクロCT でのコイル透視画像
矢印部分でのコイルの損傷が確認された。コイルの径（プライマリー径）は約0.35mm で、0.0044 mm 程度の白金線（フィラメント）から作成されている。コイルが壊れ、矢印部では一本のフィラメントが直接観察されている。

[4]　ネックリモデリング　デバイスの開発

図10 ネックリモデリングデバイス
頚部の広い動脈瘤では左のようにコイルは安定した留置は困難で、瘤外に突出してしまう。そこで、左のようにバスケットを置くと安定した留置が可能となる。

　脳動脈瘤塞栓術においては、頚部の広い、いわば扁平に近いものの治療が困難である。らせん状に形状を与えたコイルを留置していくため、扁平に近い、出入り口（頚部）の広い瘤ではコイルが逸脱してしまうためである。このため、頚部でコイルを一時的に支え、逸脱を抑えるためのバスケット（図10）を開発した。
現在市販されているが、主に異物の回収や血栓の破砕回収に用いられている。

[5]　デジタル教材の作成

図11 循環器系のしくみと生体力学

　JST 文部科学省デジタル教材「循環器系のしくみと生体力学」をNHK ソフトウエアとの共同作業で作成した（深作以外にも，本プロジェクトのメンバーが作成に加わっている。こちら（図12）を参考されたい）。http://www.rikanet.jst.go.jp/G012TitleList.htmlに関連情報があり、又、全国の高等学校で利用が可能である。

図12 制作・監修(クリックすると詳細がご覧になれます。）