[論文レビュー] Non-Newtonian Rheology in Blood Circulation

Taha Sochi|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2013

Rheology and Fluid Dynamics StudiesChemical Engineering被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、血流における非ニュートン流動的挙動について包括的な概説を提供し、剪断薄性、粘弾性、降伏応力、トキソトロピーの側面に焦点を当てる。著者は、簡略化のため血流をニュートン流体としてモデル化することが一般的であるが、特に微小循環および多孔質組織への灌流において非ニュートン効果が生理的に有意であり、正確な診断と治療のための血行動態モデルに統合すべきであると主張する。

ABSTRACT

Blood is a complex suspension that demonstrates several non-Newtonian rheological characteristics such as deformation-rate dependency, viscoelasticity and yield stress. In this paper we outline some issues related to the non-Newtonian effects in blood circulation system and present modeling approaches based mostly on the past work in this field.

研究の動機と目的

• 微小循環および多孔質組織灌流において、非ニュートン効果が軽視されがちな役割を明らかにすること。
• 血液の複雑な rheological 性質を踏まえても、血行動態モデルにおいてニュートン行動を仮定するという限界を強調すること。
• 赤血球の凝集および変形によって引き起こされる、剪断薄性、粘弾性、降伏応力、トキソトロピーといった主要な非ニュートン特性を特定すること。
• 特に狭窄血管および微小循環ネットワークにおいて、非ニュートンモデルを循環系シミュレーションに体系的に統合するよう提言すること。
• 流体-構造相互作用および非ニュートン効果が拡散および灌流過程に与える影響を解明するためのさらなる研究の必要性を強調すること。

提案手法

• さまざまな流れの状態および血管種別における血液 rheology に関する既存の実験的・理論的・計算的研究のレビュー。
• 剛性および拡張性を有する血管における血液流れのシミュレーションに、べき乗則、Herschel-Bulkley、および粘弾性モデルなどの非ニュートン的構成モデルを適用すること。
• 剪断薄性、降伏応力、および粘弾性を組み込んだ、多孔質媒体内を流れる非ニュートン流体のマイクロスケールネットワークモデリング。
• 非ニュートン流体に適応した修正版ダルシーの法則を用いて、生物学的多孔質組織における血液灌流をモデル化すること。
• 血管壁の弾性およびその非ニュートン血行動態に与える影響を考慮するための流体-構造相互作用モデルの組み込み。
• 繰り返し剪断サイクルにおけるヒステリシスループと時間依存挙動の分析により、トキソトロピー効果を定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剪断薄性および粘弾性といった非ニュートン特性が、狭窄動脈内での血液流れにどのように影響を与えるか。
• RQ2 降伏応力およびトキソトロピーが、微小循環における血行動態的力および壁せん断応力にどの程度影響を及えるか。
• RQ3 多孔質組織を通過する血液灌流における非ニュートン効果が、大動脈におけるそれらと比べてどのように異なるか。
• RQ4 低剪断率における赤血球の凝集および変形が、非ニュートン挙動を生じさせる役割を果たすメカニズムは何か。
• RQ5 微小循環灌流のダルシーに基づくモデルに、非ニュートン rheology を体系的に統合する方法は何か。

主な発見

• 血液は、主に低剪断率における赤血球の凝集および変形によって顕著な非ニュートン的挙動を示す。
• 剪断薄性は最も顕著な非ニュートン効果であり、高剪断率下で粘度が低下し、狭窄血管内での流れを容易にする。
• 降伏応力および粘弾性は流れの抵抗制御に寄与し、非ニュートン効果が狭窄動脈における保護的メカニズムとして機能する。
• トキソトロピー挙動は、繰り返し剪断におけるヒステリシスループによって裏付けられ、赤血球凝集体の時間依存的構造回復を示している。
• 微小循環および多孔質組織灌流では、低変形率および複雑な幾何形状のため、大動脈に比べて非ニュートン効果が顕著に現れる。
• 既存の組織灌流用ダルシーに基づくモデルは非ニュートン効果を無視しているが、正確性を確保するためにはべき乗則またはHerschel-Bulkleyモデルを用いた修正が不可欠である。