1. 嚥下動態（生体）のモデル化⁽²⁾

生体の静的および動的な形状のモデル化について概要を説明する．SVでは嚥下にかかわる生体の器官を異なる機能を有する4つのオブジェクト（舌，軟口蓋，咽頭（食道含む），喉頭（喉頭蓋と気管も含む））に分割し，各器官が食塊に及ぼす力のタイミングや向きをより視認しやすくした．このオブジェクトについて，それぞれ静的および動的な形状モデルを作成した．図1図1■生体モデルの構築手順（A. 静的モデリング，B. 動的モデリング）に生体モデルの構築手順の概要を示した．上段に示した図1A図1■生体モデルの構築手順（A. 静的モデリング，B. 動的モデリング）は.1.1で説明する静的形状モデルの作成手順，下段に示した図1B図1■生体モデルの構築手順（A. 静的モデリング，B. 動的モデリング）は，1.2で説明する動的形状モデルの作成手順である．

図1■生体モデルの構築手順（A. 静的モデリング，B. 動的モデリング）

2. 食塊のモデル化手法⁽³⁾

食塊単体のモデル化であれば，食品そのものが有する物性値（粘度，濃度，密度，表面張力など）を利用すればよい．しかし，食塊の嚥下シミュレーションを行う場合は，食塊単体の物性値だけでなく，食塊と生体の接触表面における相互作用を考慮しなければならない．一般的な化学繊維の表面などは，静的な撥水性が高い（接触角が大きい）ほど液滴は動きやすい．一方，生体表面は一般的な化学繊維の挙動とは異なり，生体表面が乾燥している場合のように静的な撥水性が高い（接触角が大きい）ほど，液滴は動きにくい．つまり，生体の場合，接触角が大きいほど，食塊が動く際の抵抗になると言える．これは，口腔内が湿っている場合と乾燥している場合では，乾燥しているほうが食物を飲み込みづらいという臨床的な経験からも理解できる．一般的な化学繊維と生体の表面特性の違いは，表面粗さに起因する毛細管現象による食塊水分の壁面法線方向への吸い込み抵抗，また唾液などの存在に起因する生体表面上の滑水平面（ハイドロプレーン）の形成に伴う見掛け表面粗さの低減による親水化などに影響を受けると考えられる．よって生体表面と食塊の相互作用を内包したモデル化には，生体表面におけるぬれ性（⇔撥水性）を考慮する必要がある．

SVでは，豚の生体器官（舌，食道）の接触角と，壁面におけるスリップ係数（＝壁面での見掛け粘度に関係した係数）を，適宜パラメータフィッティングを行いながら調整し，食塊と生体表面の相互作用を考慮した食塊モデルとして採用している．

3. 生体モデルと食塊モデルを統合した解析手法

嚥下時の食塊は短時間のうちに大変形ならびに飛沫を伴って流れるため，一般的な“メッシュ”と呼ばれる格子を解析対象空間に配置して計算する方法は，メッシュ作成の手間や計算精度の面などから適切ではないと考えた．そこでSVでは，流体の大変形や飛沫の取り扱いが可能な計算手法である粒子法（MPS法⁽⁴⁾4) 越塚誠一：“粒子法”，丸善株式会社，2005.）を採用した．これはすべての流体を微小な粒子と仮定し，その粒子一つひとつに流体的な挙動を示すための物性値を与えて計算を行う“メッシュフリー”の計算手法である．具体的には汎用3次元粒子法ソフトウエア：Particleworks（プロメテックソフトウエア社）に，壁面の強制変形を行う独自のカスタマイズを施したソフトウエアをソルバーとして使用した．

SVは，1で説明した医用画像と解剖学的知見を駆使して作成した嚥下動態モデル，ならびに2で説明した生体表面と食塊の相互作用を考慮した食塊モデルをParticleworks上で統合し，複雑，かつ高速で変形・移動する食塊の挙動を物理的に模擬することが可能となった．

4. 立体嚥下動態シミュレータでの計算結果の妥当性確認⁽⁵⁾

数値シミュレーションを利用する場合は，その計算結果の妥当性を確認する作業が必要不可欠である．ここではSVでの計算結果に対して，定性的，定量的な妥当性の確認方法と結果について述べる．

4.1 計算結果の定性的な妥当性確認

図2A図2■シミュレーション結果の妥当性確認結果に目視による定性的な妥当性確認の結果を示す．定性的な妥当性確認は，各時刻におけるVF画像とシミュレーション画像の食塊の位置や形状について比較することで行われた．各時刻においてシミュレーション結果は，喉頭蓋谷近傍の特徴的な食塊の形状をよく再現しており，SVは定性的に実際の現象をよく模擬できていると考えられる．

図2■シミュレーション結果の妥当性確認結果

上段：A: 目視による定性的確認，下段：B: 数値比較による定量的確認

1. 嚥下動作中の生体・食塊挙動の可視化

1.1 食塊の可視化⁽⁵⁾

図3（a）図3■嚥下時の食塊の可視化例にとろみ調整食品を溶解した液体（以下とろみ），図3（b）図3■嚥下時の食塊の可視化例にヨーグルト，そして図3（c）図3■嚥下時の食塊の可視化例に水の嚥下時の食塊の様子を示す．図からわかるように，とろみやヨーグルトでは嚥下時に食塊がひとまとまりになって咽頭を通過し，喉頭蓋が反転し喉頭入口が完全に密閉された後，食道に達する様子が目視で確認できるのに対し，水では嚥下時に多数の飛沫を伴いながら，喉頭蓋が反転して喉頭入口を完全に塞ぐ前に食塊が食道に達する．このことから，とろみやヨーグルトの飲み込みやすさは，嚥下時に飛沫発生が少なく，食塊がひと塊でかつゆっくりと咽頭を通過するためと推察できる．また，とろみやヨーグルトは喉頭蓋近傍への流入タイミングが水と比較して遅いにもかかわらず，喉頭蓋近傍での滞留時間が短いことが視覚的にも確認できる．滞留時間の短さは官能評価における“キレ”に，嚥下時の生体器官の力は官能評価における“喉越し”に関係している可能性が考えられる．ここで示した事例以外にも，SVでは誤嚥粒子の可視化なども可能である⁽⁶⁾6) 羽生圭吾，外山義雄，神谷　哲，和田哲也，神野暢子，高井めぐみ，菊地貴博，道脇幸博：第21回日本摂食嚥下リハビリテーション学会講演要旨集，S220 (2015).．このようにSVによる食塊の可視化は，これまで明らかにされていない嚥下時の食塊の詳細な形状変化の情報から，さまざまな考察を行うことができる．

図3■嚥下時の食塊の可視化例

2. 嚥下時の物理量の数値化

2.1 せん断速度分布⁽⁷⁾

図4図4■嚥下動作中に変化する食塊のせん断速度のプロファイル（等高線）に，健常成人の正常嚥下動作中に変化する食塊のせん断速度の頻度プロファイル（等高線）を示す．このプロファイルは喉頭蓋近傍の食塊のみを時系列的に抽出して作成したものである．水（水＋造影剤）と比較してとろみ（とろみ＋造影剤，明治：トロメイクSP: 2 wt％に調整）のせん断速度の分布は狭く，せん断速度の頻度のピークも高いことがわかる．また，とろみのせん断速度の最頻値は嚥下開始直後（食塊の先端がせん断速度の抽出領域にある）では50 s⁻¹であるものの，食塊が喉頭蓋に到達し，食道に流入開始する領域では75 s⁻¹程度であることがわかった．このことから嚥下時の食品物性の評価は，嚥下時のどの部位，またはどのタイミングに着目するかが重要であると言える．

図4■嚥下動作中に変化する食塊のせん断速度のプロファイル（等高線）

2.2 生体器官が食塊から受ける力⁽⁸⁾

次に食塊が生体器官に与える力（＝生体器官が食塊から受ける力）の抽出結果について図5図5■食塊が生体器官に与える力の変化に示す．図5（1）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図1■生体モデルの構築手順（A. 静的モデリング，B. 動的モデリング）は食塊が生体器官に与える力の方向を定義しており，紙面上向き（頭側）が＋Z方向の力，右向き（背側）が＋Y方向の力である．Z方向の力の時間変化を図5（2）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図2■シミュレーション結果の妥当性確認結果に，Y方向の力の時間変化を図5（4）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図4■嚥下動作中に変化する食塊のせん断速度のプロファイル（等高線）に示した．さらに，各時間における力の方向変化を図5（3）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図3■嚥下時の食塊の可視化例に示した．また各時刻における食塊の位置，ならびにその時刻に生体器官に食塊が与える各方向の力の合力（つまり，生体が食塊を押している力）を図5（5）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図5■食塊が生体器官に与える力の変化に示した．図5（3）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図3■嚥下時の食塊の可視化例中の時間進行は，舌以外の器官はA, B, C, Dの順，舌はa, b, c, dの順に変化し，それぞれの器官のピーク値は図5（2）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図2■シミュレーション結果の妥当性確認結果また図5（4）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図4■嚥下動作中に変化する食塊のせん断速度のプロファイル（等高線）のピーク値に対応する．図5（3）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図3■嚥下時の食塊の可視化例からわかるように舌以外の器官は，食塊の移送に伴い，ある特定の時間にしか高いピークの力を食塊から受けていないのに対し，舌は常に力を食塊から受けており，食塊移送中に何度もさまざまな方向に高い力のピークを観測することができる．つまり，舌はすべての時刻においてほかの器官と協調しながら食塊を送り込む，重要な役割をしていることが推察される．また図5（5）図5■食塊が生体器官に与える力の変化図5■食塊が生体器官に与える力の変化は，舌以外の器官と舌の両方が同時に食塊から受けた力がピーク値となる時間の食塊位置を表している．（A-a）は硬口蓋と舌，（B-b）は軟口蓋と舌，（C-c）は咽頭と舌，（D-d）は喉頭と舌を示す．（A-a）の食塊のほとんどはすでに舌根部および咽頭にあって，硬口蓋と舌の両方に力を与えている部分は食塊の最後端であることがわかる．同様に（B-b），（C-c）および（D-d）も，舌と各器官の両方に力を与えている部分も食塊の最後端である．そして各生体器官に食塊が与える力の合力（方向と大きさ）は食塊が移動する方向とほぼ等しい．このことは，食塊はその後端で生体器官から大きな力を受けていることを示唆する．これは軟らかいチューブの中から高粘度の液体を排出しようとする際，高粘度液体が存在する領域の中央ではなく後端側（排出口の反対側）のチューブを押さえるようにして排出することと同様であり，嚥下とは複数の生体器官が複雑に精緻に連携しながら，食塊の後端を締め付けながら食道に送り込む運動であることを示唆する結果である．シミュレーションから抽出された力の大きさと向きから，実際の食塊の移動方向を説明できることからも，本シミュレーションで使用している生体モデルのバイオメカニクス（形状変化と運動）は妥当であると考えられる．

図5■食塊が生体器官に与える力の変化