平成27（2015）年度　一般研究１実施報告書

課題番号	27−共研−1004	分野分類		統計数理研究所内分野分類		a
				主要研究分野分類		5
研究課題名	加工可能なステントデザインの最適化検討
フリガナ 代表者氏名	オオタ マコト 太田 信		ローマ字		Ohta Makoto
所属機関	東北大学
所属部局	流体科学研究所
職　　名	准教授

研究目的と成果（経過）の概要

血管壁が瘤状に肥大化する病気である脳動脈瘤の治療法に血管内治療がある．近年ではフローダイバータステント(FD)と呼ばれる，動脈瘤内の血流を低減させ血栓化を促す医療デバイスが注目を集めている．現状のFDは一様に密なストラットで構成されており，低多孔率のため親血管が血栓で塞栓する可能性が指摘されている．これに対して，近年では最適化と呼ばれる手法を用いて，高多孔率でありながら血流低減効果の高いステント形状の探索が行われている．しかしながらこれまでの研究において，最適化は多数の計算モデルを必要とすることから，微細なFD表面形状に適合した計算格子を作成するために作業者に大きな負担がかかることや計算時間が大量になることが指摘されていた．例えば，通常微細なFD表面形状の計算格子作成には1週間程度を要し，時には格子作成が困難な場合もある．これは，FD表面形状のスケールと動脈形状のスケールには約200倍程度の差があり，そのスケール差に適合した計算格子形状の作成パラメータを見つけ出すのが困難なためである．
そこで申請者らは理想形状動脈瘤に対し，格子ボルツマン法と擬似焼きなまし法を組み合わせることにより，ステント形状作成，計算格子生成，数値流体計算，血流低減効果の評価の一連の過程を自動化した，ステント形状最適化プログラムの開発を行い，自動化プロセスの有効性を示した．その結果，これまでの動脈瘤への流入を妨げるためには，流入領域にストラットが配置されることが重要であると示唆された．しかしながら，本プログラムでは，血流低減効果など一種類の目的関数を評価することしかできず，今後の様々な目的関数を考慮することや，患者データによる多数データを処理したときに，本プログラムでは実時間での計算をすることが困難になる．これまで本申請者は，より効率よく最適解を探索するための手法を開発してきた。しかしながら，これまでのステントデザインは，最適デザイン探索には向いていたものの，実際の患者に適用できるような形状ではなかった。そこで，今年度は加工できることを考慮したデザイン制限の元で最適化を行うことを目的とする．
成果として，実形状の動脈瘤に通常のデザインを持つステントを配置後，デザイン最適化を行い，最適化されたデザインを持つステントが留置された状態を再現することができた．さらに，最適化されたデザインによるステントは，これまでの結果と同様の血流減少率を示した． このことは，最適なデザインを持つステントが実形状においても存在しうることを示し，またそのステントによって血流減少を効果的に行うことができることを示唆している．

当該研究に関する情報源（論文発表、学会発表、プレプリント、ホームページ等）

Futoshi MORI, Sho HANIDA, Makoto OHTA, Teruo MATSUZAWA
Changes in Blood Flow due to Stented Parent Artery Expansion in an Intracranial Aneurysm
[Technology and Health Care,Volume23, pp. 9-21, 2015.]
H. Anzai, Y. Yoshida, S. Sugiyama, H. Endo, Y. Matsumoto, M. Ohta
Porosity Dependency of an Optimized Stent Design for Intracranial Aneurysm
[Technology and Health Care, Volume23, no. 5, pp. 547-556, 2015.]
Mingzi Zhang, Hitomi Anzai, Bastien Chopard, Makoto Ohta
Manufacture-Oriented Design Optimization for a Flow Diverter Stent Using Lattice Boltzmann Method and Simulated Annealing
[Advances in Structural and Multidisciplinary Optimization - Proceedings of the 11th World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization (WCSMO-11),Edited by Qing Li, Grant P Steven, Zhongpu (Leo) Zhang, pp. 310-315, 2015]
Makoto Ohta, Hitomi Anzai, Yukihisa Miura and Toshio Nakayama
Parametric study of porous media as substitutes for flow-diverter stent
[Biomaterials and Biomedical Engineering, vol. 2, no. 2, pp. 111-125, 2015]
Mingzi Zhang, Hitomi Anzai, Bastien Chopard, Makoto Ohta
Manufacture-Oriented Design Optimization for a Flow Diverter Stent Using Lattice Boltzmann Method and Simulated Annealing
[11th World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization (WCSMO-11), June 7-12, 2015, Sydney, Australia]
Mingzi Zhang, Hitomi Anzai, Makoto Ohta
Introduction of Optimization of Design using Combination of Lattice Boltzmann Method as CFD and Simulated Annealing for Reduction of Flow Speed
[1st NUAA-Tohoku University Joint Symposium on Fluid Science, Aerospace Engineering and Smart Structure Technology, June 21-22, 2015, NUAA, Nanjing, China ]
Makoto Ohta, Mingzi, Zhang, Bastien Chopard, Xiaobo Han, Yujie Li, Hitomi Anzai
Development of a Program for Blood flow and Cell Behaviors Based on LBM Method (third report)
[AFI-TFI, Oct. 27-29, 2015, Sendai, Japan]
Zhang M, Anzai H, Ohta M
Visualization of Flow Patterns through the Aneurysmal Orifice after Flow Diverter Optimizations with Different Objective Functions
[Interdisciplinary Cerebrovascular Symposium (Intracranial Stent Meeting 2015), Nov. 13-14, 2015, Gold Coast, Australia]
安西眸, 下權谷祐児, 太田信
CFDで何をみるのか，見えるのか　AVEC CFD 2015 Analysis and Visualization Exhibition of Cerebral aneurysms using CFD
[第38回日本バイオレオロジー学会年会，6月6-7日, 学術総合センター, 東京]
安西眸，吉田裕貴，下山幸治，大林茂，太田信
脳動脈瘤治療用ステントにおける自己組織化マップを用いた最適形状解析
[日本機械学会2015年度年次大会, 9月13-16日, 北海道大学, 札幌]
張明子，安西眸，太田信
平均および最大流速の最適脳動脈瘤用ステントデザイン Optimized Intracranial Stent Designs with Average and Maximum Velocities
[流体力学会年会2015，東京工業大学，9月26日, 東京]
Hitomi Anzai, Yuuki Yoshida, Mingzi Zhang, Makoto Ohta
Searching for valuable hemodynamic parameters for applying to optimization study
[9th European Solid Mechanics Conference, July 6-10, 2015, Madrid, Spain]
Anzai H, Yoshida Y, Shimoyama K, Obayashi S, Ohta M
Analysis of Relationship Between Stent Structure and Flow Stagnation Using Self-Organizing Maps for Realistic Aneurysm
[Interdisciplinary Cerebrovascular Symposium (Intracranial Stent Meeting 2015), Nov. 13-14, 2015, Gold Coast, Australia]
Makoto Ohta
Biofluid Control
[Proceedings of 2nd Biomedical Symposium and 1st Biomedical Engineering Symposium, Nov. 16, 2015, Sydney, Australia]
太田 信
血流から考える脳動脈瘤用最適化ステントの開発
[第 9 回 CVC 千葉血管障害の原点を考える会, Nov. 5, 2015, 千葉市]
Hitomi Anzai, Kazuhiro Watanabe, Yuuki Yoshida, Koji Shimoyama, Shigeru Obayashi, Makoto Ohta
Co-relationship between Hemodynamics and Optimal Stent Structure
[Proceedings of 2nd Biomedical Symposium and 1st Biomedical Engineering Symposium, Nov. 16, 2015, Sydney, Australia]
Mingzi Zhang, Hitomi Anzai, Bastien Chopard, Makoto Ohta
Towards the Patient-specific Design of Intracranial Stents for Advanced Flow Diversion Efficacy
[Proceedings of 2nd Biomedical Symposium and 1st Biomedical Engineering Symposium, Nov. 16, 2015, Sydney, Australia]
Makoto Ohta, Kaihong Yu, Ren Takahashi, Yuta Muramoto, Wataru Sakuma, Taihei Onishi, Hitomi Anzai
Development of in-vitro and in-silico model for evaluating medical devices
[Beijing-Tohoku Biomechanics Symposium, November 25, 2015, Beijing University of Technology, Beijing, China]
Makoto Ito, Mingzi Zhang, Hitomi Anzai, Makoto Ohta
Optimization of Flow Diverter design
[Beijing-Tohoku Biomechanics Symposium, November 25, 2015, Beijing University of Technology, Beijing, China]

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研究参加者一覧
氏名	所属機関
安西 眸	東北大学
斎藤 正也	統計数理研究所