Coreform Cubit 特に微細な解剖学的形状を持つ複雑な生体組織に対し、直感的にメッシュ生成できる環境を提供しました。Cubitがなければ、粗く単純化された解剖モデルで多くの重要形状が失われていたでしょう。
Nicholas Glover（博士課程学生）
University at Buffalo
背景
Nicholas Glover氏は、Dr. Ashlee N. Ford Versyptが率いるSystems Biomedicine and Pharmaceutics Laboratoryで、糖尿病性腎疾患における腎組織の化学的・生体力学的損傷メカニズムを研究しています。血液から老廃物をろ過する主要構造であり、糖尿病性組織損傷の主な標的でもある糸球体の生体力学特性を調べ、疾患による形態変化と、糸球体ろ過障壁を通過するろ液輸送の変化を関連付けることを目指しています。計算モデルではANSYS FluentとFEBioを専用ソルバーとして利用しています。
このプロジェクトでは、糖尿病による腎障害へ個別に関与することが知られている複数の過程を統合し、高度な計算シミュレーションへまとめています。これにより各過程の相互作用や病態進行を理解し、最終的には糖尿病管理における複数要因が腎機能へ与える影響を予測することを目指します。
Figure 1: Geometry of the kidney’s glomerular filtration barrier and the boundary conditions associated with each surface to be meshed in Coreform Cubit. The vertically stacked layers of the tissue represented here each have different porous media material properties.
課題
腎臓が血液から老廃物をろ過する機能は物理的なろ過層に依存するため、ろ過過程をシミュレーションするには、まずろ過構造を表す3次元形状が必要です。このシステム形状を構築するため、腎糸球体の生体画像から得た構造パラメータを用いて、複数の疾患状態の形状を作成しました。 積層されたろ過障壁を正確なCFDモデルにするには、高品質なメッシュを生成できるメッシュソフトウェアが必要でした。層の中には、さまざまな大きさや形状の生体細胞間の隙間として表されるものもあれば、より非晶質な多孔質材料として表されるものもあります。そのため、 モデル内のさまざまな生体材料に対応するElement Setを、 各層にわたって作成できることも重要です。
The researchers introduced small variations in the filtration barrier’s fine-scale anatomy to study how specific structural features influence local fluid flow. Because these anatomical variants were created with parametric CAD models, the workflow required automated meshing to support efficient and repeatable analysis across changing geometries (Figure 1).
他の利用可能なソフトウェアでは、複雑な糸球体構造に対応するために必要なメッシュ機能が不足していたり、ワークフローを直感的に扱いにくいユーザーインターフェースであったりしました。.
解決方法
既報の解剖学的計測値を基に、糸球体ろ過障壁を通る溶質輸送解析用の形状を定義しました。流体チャネルと多孔質領域を含む層状モデルを構築し、ANSYS Fluentによるマルチフィジックス解析に必要な、薄層構造を高精度に解像し、微細形状と境界情報を保持できるメッシュをCoreform Cubitで生成しました。
図2：Coreform Cubitで生成した腎糸球体ろ過障壁の高品質メッシュ。狭いチャネルの微細形状を捉え、境界近傍ではbiasingを用い、大きな流体領域中央では粗い解像度としています。
研究チームは既報の多相輸送理論に基づき、各層へ物性値を設定し、生理学的な腎挙動を最もよく表す界面条件を選択しました。モデルには流体・二相領域、単一ネフロン糸球体ろ過量に基づく法線流速、細胞―ろ液界面の流体挙動を支配する境界条件が含まれます。将来さらに生物学的変動を取り込む際には、Coreform CubitのSculpt技術が正常・疾患形状の双方に高品質Hexメッシュを効率よく生成する手段になります。
ANSYSでは、Coreform Cubitメッシュ上でjournal fileベースのワークフローを使ってCFD解析を実行しました。正常・疾患状態における透水係数と壁面せん断応力を評価し、腎の主要ろ過層であるslit diaphragm表面に沿った流速とせん断力分布を得ています。
図3：スリット膜表面に沿った流速（図2の拡大領域）。
図4：スリット膜表面に沿った壁面せん断応力（図2の拡大領域）。
まとめ
Dr. Ford Versyptの研究室では、糖尿病性腎疾患の発症と進行を研究するマルチスケール仮想腎モデルを開発しています。Glover氏の研究により物理的ろ過障壁が追加され、腎構造・材料挙動の変化と、ろ過を支配する生体力学との関係を解析する基盤が構築されました。
Coreform Cubitは、腎の微細な解剖層を表現する高品質メッシュを提供し、解析ワークフローへ統合する上で中心的な役割を果たしました。これにより、壁面せん断応力が主要ろ過層の細胞損傷へ与える影響や、構造変化がろ過障壁を通るタンパク輸送へ及ぼす影響を研究できます。臨床的な腎障害指標であるタンパク漏出とも直接関係するため、恒久的損傷が臨床で検出される前に病態進行を理解する、より予測的な計算ツールの構築につながります。