[論文レビュー] Phantom model for intracranial pressure

Célia Batonon, Heimiri Monnier+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2026

Cerebrospinal fluid and hydrocephalus被引用数 0

ひとこと要約

This paper introduces MODÈFONE, a physical phantom of the cerebrospinal system that reproduces pulsatile ICP and allows gravity-variable experiments (including microgravity) via parabolic flights.

ABSTRACT

This report presents the MOD{È}FONE project, whose objective is to develop a simplified experimental model of the cerebrospinal system in order to investigate fluid-structure interactions and physiological adaptations under altered gravity conditions, with a particular focus on microgravity. The experimental setup is based on a pulsatile hydraulic circuit reproducing systolic and diastolic dynamics, coupled with deformable elements simulating vascular compliance and a cranial compartment immersed in a fluid representing cerebrospinal fluid. This model enables the analysis of cranial and spinal pressures as well as their pulsatility. The purpose of this report is to describe the design and the results of the experimental setup.

研究の動機と目的

• Altered gravity 下での fluid–structure interactions を研究するための脳脊髄系の簡略化物理モデルを開発する。
• パルス状ダイナミクスと血管様コンプライアンスを頭蓋脊髄ファントムに組み込む。
• 1g、1.8g、0g 条件下でMean ICPおよび脊髄圧を測定可能とする。
• 質的な人間のICP脈動性と重力・方位の影響を検証する。

提案手法

• CSF を模擬する水で満たした硬質頭蓋ファントムと可撓性脊髄ファントムを構築する。
• 心臓誘発流を再現する12 V ダイアフラムポンプを用いてファントムをパルス状水圧回路に結合する。
• 可撓性を提供し体積変化を誘発する脊髄部位の変形ラテックスセグメントを配置する。
• 2つの圧力センサと三軸加速度計を計測系に搭載し、マイクロコントローラを介してポンプ制御とデータ取得を同期させる。
• パラボ飛行により重力を変化させる（1g、1.8g、0g）とファントムの向きを変える（0°, 30°, 90°）。
• データは制御電圧からポンプ流量を推定し、飛行フェーズと心拍周期を区分し、圧力信号にSavitzky–Golay平滑化を適用して処理する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レベルとファントムの向きは平均ICPおよび脊髄圧にどのような影響を与えるか？
• RQ2 重力はICPおよび脊髄圧の脈動性と波形形状にどのように影響するか？
• RQ3 異なる重力条件下でファントムは人間のICP脈動性パターンを定性的に再現できるか？

主な発見

• 1gおよび1.8gでファントムの向きが進むと平均ICPが減少し、過重力下でより大きな変化を示す。
• 1.8gではファントムの向きが進むと平均脊髄圧が増加し、ICPと反対の傾向を示す。
• ICP脈動性は1gおよび1.8gで垂直向きにおいて増幅する一方、0gでは減衰し、微小重力では波形が丸みを帯びたピークへと変化する。
• 微小重力下では水平向きのICPの脈動振幅が低下し、垂直向きでは顕著に異なる変化を示す。
• 脊髄圧の脈動性は概ね高いままだが、ICPとは異なる向き依存的修改を示す。
• 定性的な比較は、ファントムがいくつかの人間のICP脈動性特徴を再現することを示唆するが、活性な調節機構は欠如する。