Microsoft PowerPoint - サイバネット_meiji発表原稿 ppt

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ひろきたておか
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1 3 次元 MPS 法を用いた嚥下動態シミュレータ Swallow Vision の紹介ならびに 3D AVS Player を用いたリアルタイム 3 次元嚥下動態の可視化株式会社明治技術開発研究所素材開発研究部素材開発 G 神谷哲 Swallow Vision 開発チーム武蔵野赤十字病院 : 道脇幸博菊地貴博株式会社明治 : 神谷哲外山義雄神野暢子長田尭羽生圭吾

2 本日の発表内容はじめに ( 当社概要ならびに当社 CFD 活用例とポスト処理の重要性 ) 嚥下シミュレーター開発の経緯 ( シミュレーターの必要性使用する方法の妥当性評価 ) 嚥下シミュレーター開発のための重要技術 ( 超えなければならない技術的ハードル ) 嚥下シミュレーターの妥当性評価 ( 可視化結果と数値解析の定性的定量的比較方法の一例 ) ケーススタディ活用事例 ( 誤嚥モデルニュートン流体と非ニュートン流体の比較物理量抽出 ) おわりに ( 嚥下シミュレーターの課題と期待される効果 ) 2

3 はじめに明治ホールディングスについて当社における CAE 活用事例 3

4 1-1 明治ホールディングスについて株式会社明治 2009 年明治乳業明治製菓経営統合売上 9863 億円従業員数 :11269 人 2011 年グループ内再編乳製品ユニット菓子ユニット健康食品ユニット海外ユニット Meiji Seika ファルマ株式会社売上 1253 億円従業員数 :4034 人医療用医薬事業生物産業事業海外事業 4

5 1-2 当社における CAE 活用事例 φ100μm φ20μm φ5μm 5

6 2. 嚥下シミュレーター開発経緯嚥下誤嚥について嚥下シミュレーター開発の意義開発に必要な技術 6

7 2-1 嚥下誤嚥について嚥下とは食物を認識して噛みくだき飲み込みやすい状態にして口腔から咽頭食道胃へと食物を送り込む一連の動作誤嚥なんらかの原因で食物が食道でなく気道に入ること 7

8 2-2 肺炎の年齢階層別死亡者数 (10 万人対 ) 亡者数高齢者の肺炎の主原因飲み込み障害 ( 誤嚥 ) による肺炎死8

9 2-3 不慮の窒息による死亡数食物による窒息嚥下困難老化現象 9

10 2-4 嚥下シミュレーター開発の意義嚥下をサポートする商品を開発提供患者様やお客様に製品の価値を正確に検証し伝える手段がなかった薬品流動食機能性食品動物実験などで効果を検証トロミ剤ゼリー患者様に実際に食べてもらって評価誤嚥 ( 窒息肺炎 ) のリスク肉体的な苦痛を伴う客観的に推定して事前にメニューを提案することはできない食品メーカーの責任として製品価値を正確に伝える手段の開発が必要嚥下シミュレーターの開発 10

11 ２５嚥下シミュレーター開発に必要な技術嚥下シミュレーション食塊の瞬間的な大変形や飛沫の表現必要従来の格子法有限要素法などを用いた解析法では困難格子法粒子法飛沫大変形の解析が可能な粒子法 MPS法)の採用を検討 11

12 ３嚥下シミュレーター開発の重要技術位置運動情報のある立体モデルの作成技術武蔵野赤十字病院道脇先生チームモデル変形を考慮したソルバー開発応用技術プロメテックソフトウエア社構造計画研究所のご協力 Particleworks 生体製品の物性値測定評価技術株式会社明治チーム可視化技術サイバネット社ご協力 Micro AVS, 3D AVS Player 12

13 ３１位置運動情報のある立体モデルの作成技術武蔵野赤十字病院道脇先生チーム非嚥下時の立体モデルを構築基本構造モデル１頭頸部CT撮影水平断 0.625mm間隔２ CT画像や CTデータ立体構築ソフトMimicsによって作成した3Dモデルを 3次元空間内に貼り付けガイドとして利用３ガイドを参考に3D-CGソフト Autodesk 3ds Max 2012 にて形状作成 CT画像ＣＴ立体構成モデル作図用ガイドとして利用 13

14 ３２位置運動情報のある立体モデルの作成技術武蔵野赤十字病院道脇先生チーム担当 CGモデルの解析オブジェクトへの再現４舌軟口蓋咽頭喉頭の４パーツへ分割 ②軟口蓋オブジェクト青 ③咽頭オブジェクトピンク喉頭蓋谷を含む中咽頭から ①舌オブジェクト赤食道入口部までの咽頭 ④喉頭オブジェクト緑喉頭蓋と喉頭と披裂部と下咽頭の前壁 14

15 ３３立体モデルの運動情報を考慮武蔵野赤十字病院道脇先生チーム担当 (５) 嚥下造影を撮影連続レントゲン写真 VF 側面と正面の動きを比較して同期動画ファイルは30fps (６) 側面と正面のVF画像を3D-CGソフト内にガイドとして貼付モデルを変形立体モデルを貼り付けたVF画像を参考にモデルを変形アニメーション化見えないところはシネMRIや解剖の知識から推定して作成７立体データを 1/300秒ごとにobjデータへ出力８ Particleworksのプリ処理にて距離関数dfファイルを作成 15

16 ３４モデル変形を考慮したソルバー開発応用技術プロメテックソフトウエア社構造計画研究所刻み時間毎に変化する４つの構造の取り扱い ①舌 ②軟口蓋 ③咽頭 ④喉頭刻み時間 1/300sec 約700枚/構造=４構造 7000=2800枚のDFファイルを利用連番ポリゴンファイルの作成連番ポリゴンファイルとして読込 16

17 嚥下動作中の各器官の動き Soft palate Tongue Epiglottis Soft palate and pharynx Tongue andmovement epiglottis movement Pharynx Root of tongue Hyoid bone Vocal cord Thyroid cartilage Trachea Esophagus 17

18 ３５位置時間情報を考慮した嚥下動態モデル強制変形 3D AVS Playerにて再生速度モード位置背景色 18

19 ３６生体製品の物性値測定評価技術株式会社明治担当表面張力はポテンシャル力として考慮する Cf re 0 5 Cf 流体粒子ポテンシャル係数 σ:表面張力 ρ 密度ｌ0 粒子径 re 影響半径流体粒子と壁面の濡れ性は物体と液体の組み合わせで変わる接触角の測定が必要 C fs 1 1 cos C f 2 Cfs 流体粒子-壁面ポテンシャル係数接触角 19

20 ３７生体製品の物性値測定評価技術株式会社明治担当生体組織上舌咽頭などの接触角の測定豚の生体組織を採取し接触角を測定豚の食道豚の舌豚の喉頭蓋 20

21 ３８生体組織上の接触角測定測定機器接触角計 DropMaster500 協和界面科学針先 0.4mm 表面張力測定接触角測定 21

22 ４嚥下シミュレーターの妥当性評価実際の嚥下造影 VF)の様子シミュレーション条件 VFとシミュレーションの定性的な比較画像処理技術と組み合わせた定量評価方法誤嚥シミュレーション (Micro AVS ポスト処理 22

23 ４１実際の嚥下造影 VF)の様子嚥下対象水イオパミドール造影剤フレームレート30fps 画像処理ソフト ImageJによる特殊加工実施 23

24 ４２シミュレーションの設定条件解析ソフト Particleworks2.5 (強制変形カスタマイズ生体モデル武蔵野赤十字病院作成健常者水嚥下モデル粒子径 2mm 影響半径 4.1 食塊量 6cc 解析対象水イオパミドール造影剤粘度 2.5mPa s ニュートン流体表面張力 0.072N/m 表面張力ポテンシャル係数使用 24

25 ４３シミュレーターでの嚥下の様子リアルタイム視点変更可能３次元嚥下動作動画 3D AVS Playerにて再生速度モード位置背景色 25

26 ４４ VFとシミュレーションの定性的な比較準備期口腔期咽頭期 0 [sec] [sec] [sec] [sec] 26

27 ４５ VFとシミュレーションの定性的な比較咽頭期食道期 [sec] [sec] [sec] [sec] 27

28 シミュレーション結果の定量的な妥当性評価方法喉頭蓋谷近傍の正規化輝度変化の比較正規化輝度喉頭蓋谷近傍の正規化輝度 Bt Bmin Bn Bmax Bmin 嚥下動作中食塊の有無と生体の挙動によって輝度が変化 28

29 ４７嚥下造影とシミュレーションの定量的比較正規化輝度使用の妥当性と解析の精度評価喉頭蓋谷近傍の正規化輝度の変化 1 正規化輝度正規化輝度 [-] ＶＦＶＦ動態水動態水動態のみ水のみ経過時間 [sec] 経過時間 [sec]

30 ５ケーススタディ活用事例正常嚥下の様子誤嚥モデルでの嚥下シミュレーションニュートン流体非ニュートン流体の比較嚥下中の物理量抽出例評価例 30

31 正常嚥下 2.5mPa s Newtonian fluid Top view Side view Back view 31

32 前誤嚥後誤嚥 1mPa s Newtonian fluid) 数値実験水嚥下の生体モデルの物性値のみ変更 Top view Side view Back view 32

33 後誤嚥 (100mPa s Newtonian fluid) 数値実験水嚥下の生体モデルの物性値のみ変更 Top view Side view Back view 33

34 嚥下中の食塊の様子フライスルー Micro AVSでの処理 34

35 A-4 誤嚥動画の比較数値実験水嚥下の生体モデルの物性値のみ変更 Using same dynamic 3D model but physical properties were different Misswallowing (Timing :too fast) Low viscosity high contact angle Misswallowing Normal swallowing (Timing : too late) High viscosity low contact angle 35

36 水ととろみ調整食品の比較背面より解析対象解析対象生体モデル水正常嚥下モデル生体モデルとろみ調整食品正常嚥下モデル食品モデル水 + 造影剤食品モデルとろみ調整食品 + 造影剤ニュートン流体非ニュートン流体 25歳健常者男性食品毎に固有のモデルを作成 36

37 嚥下動作中に食塊が受けるせん断速度水造影剤 (ニュートン流体 ) とろみ調整食品造影剤 (非ニュートン流体 :擬塑性流体) Shear rate [1/s] 37 0[sec] 0.13[sec] 0.16[sec] 0.23[sec] 0.37[sec] 0.5[sec] 0.7[sec] 0.93[sec]

38 嚥下動作中に変化するせん断速度水+造影剤 (ニュートン流体) とろみ調整食品造影剤非ニュートン流体嚥下動作中食塊はさまざまなせん断速度となって移送されるとろみ調整食品はまとまりを保ちながら嚥下される 38

39 嚥下動作中のせん断速度分布水造影剤咽頭相口腔相喉頭蓋が完全に倒れた瞬間分布広い喉頭蓋谷に液がたまるピークせん断速度 [1/s] Time [sec] Time [sec] Frequency [-] 食塊流下中分布一気に拡大食塊流下開始ピークせん断速度 [1/s] 食塊流下直前ピークせん断速度 50[1/s] 分布狭い Shear rate [s -1] Frequency [-] 0 Shear rate [1/s] 39

40 せん断速度頻度分布図 (ニュートン流体と非ニュートン流体との比較例水+造影剤 (ニュートン流体) とろみ調整食品造影剤非ニュートン流体 Frequency [-] Time [sec] Shear rate [s -1 ] Time [sec] せん断速度分布の幅が広いせん断速度分布の幅が狭い嚥下動作中のせん断速度の変化が激しい嚥下動作中のせん断速度の変化が少ない 40 画像と頻度分布図よりとろみ調整食品は水よりまとまりがよく飛沫が形成されにくい Shear rate [s ] Frequency [-]

41 ５おわりにまとめ 41

42 ５１まとめ ① 位置情報のある立体解剖モデルに運動データーを加味解剖学的臨床的妥当性を評価しながら頭頚部のモデル化 ② Particleworks(強制変形カスタマイズを用いた嚥下動態シミュレーターを開発 ③ 健常者の水の嚥下動態を用いたシミュレーションが可能嚥下造影と比較して定性的定量的に嚥下動態が高い精度で一致モデル作成手法嚥下シミュレーションの正確性の証明嚥下シミュレーターの利点 3次元的視野で嚥下動態を把握嚥下時の数値化誤嚥量壁面応力せん断速度 ④水の動きしかできないモデルに異なる物性の食塊を嚥下させると誤嚥人は食塊の物性によって動態を最適化して嚥下している 42

43 付録 4次元嚥下シミュレーション動画 3D AVS Player 43

44 正常嚥下水速度モード位置背景色 44

45 誤嚥 (食塊が早く落ちる場合低粘度液 1mPa s) 速度モード位置背景色 45

46 誤嚥 (食塊が遅く落ちる高粘度液 100mPa s) 速度モード位置背景色 46

47 正常嚥下 (非ニュートン流体とろみ剤トロメイク) 速度モード位置背景色 47

Microsoft PowerPoint - 発表II-3原稿r02.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - 発表II-3原稿r02.ppt [互換モード] 地震時の原子力発電所燃料プールからの溢水量解析プログラム地球工学研究所田中伸和豊田幸宏 Central Research Institute of Electric Power Industry 1 1. はじめに ( その 1) 2003 年十勝沖地震では震源から離れた苫小牧地区の石油タンクにスロッシング ( 液面揺動 ) による火災被害が生じた 2007 年中越沖地震では原子力発電所内の燃料プールからの溢水があり