JP7401225B2

JP7401225B2 - 嚥下シミュレーション装置及び嚥下シミュレーション方法

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Publication number: JP7401225B2
Application number: JP2019157449A
Authority: JP
Inventors: 幸博道脇; 貴博菊地; 元幹井上
Original assignee: Meiji Co Ltd
Current assignee: Meiji Co Ltd
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2039-08-29
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本発明は、嚥下シミュレーション装置及び嚥下シミュレーション方法に関する。

嚥下時の食品物性と頭頸部器官の運動との関係は複雑であり、現象そのものを正確に把握することは非常に困難である。ここで、嚥下とは、口腔内に取り込まれた食品（飲料を含む）を、咽頭・食道を経て胃に送り込む運動である。嚥下時には、口腔、咽頭、喉頭、食道の筋が、短時間のうちに決められた順序で活動し、複雑な運動を遂行している。

従来、嚥下時の食塊の挙動を模擬するために、コンピュータを用いた嚥下シミュレーション装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この嚥下シミュレーション装置では、口腔器官の運動や、飲食品等の物性値を設定し、三次元画像において、粒子法を用いて飲食品の挙動を解析することができる。このような嚥下シミュレーション装置は、嚥下に関する実現象を近似的に再現でき、嚥下現象を可視化することが可能であり、例えば、誤嚥を抑制し得る食品や医薬品、飲料等の経口摂取品を開発する際に役立てることができると考えられている。

特許第６０２２７８９号公報

しかしながら、誤嚥を抑制し得る経口摂取品の開発や、誤嚥のメカニズム解明による効果的な診断、治療法の確立を目指すには、特許文献１に示すような嚥下現象の単なる可視化では不十分であり、擬似経口摂取品の嚥下時における頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品の挙動などを従来よりも一段と正確に再現することが望まれている。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、擬似経口摂取品の嚥下時における頭頸部器官の運動や擬似経口摂取品の挙動などを従来よりも一段と正確に再現することができる嚥下シミュレーション装置及び嚥下シミュレーション方法を提供することを目的とする。

本発明に係る嚥下シミュレーション装置は、複数の粒子によって三次元画像でモデル化した複数の頭頸部器官を作製し、前記複数の頭頸部器官からなる動的三次元頭頸部粒子モデルを前記三次元画像により作製する頭頸部モデリング部と、前記動的三次元頭頸部粒子モデルにおける前記複数の頭頸部器官の運動を設定する器官運動設定部と、経口摂取品を複数の粒子によって前記三次元画像でモデル化した擬似経口摂取品を、前記動的三次元頭頸部粒子モデルで嚥下させたときの前記頭頸部器官の運動と、前記擬似経口摂取品の嚥下時の挙動と、を粒子法に基づいて前記三次元画像で解析する運動解析部と、前記運動解析部により前記三次元画像で解析された、前記擬似経口摂取品の嚥下時の前記頭頸部器官の運動と、前記擬似経口摂取品の嚥下時の挙動との解析結果を、動画像で表示する表示部と、を備え、前記器官運動設定部は、前記動的三次元頭頸部粒子モデルの前記複数の粒子のうち、前記擬似経口摂取品の嚥下時に前記頭頸部器官で強制的に移動する粒子を強制移動粒子とし、前記嚥下時における前記強制移動粒子の運動を設定する強制運動設定部と、前記動的三次元頭頸部粒子モデルの前記複数の粒子のうち、前記頭頸部器官の収縮筋ごとに前記三次元画像内で筋線維方向が特定され、かつ前記筋線維方向に基づく収縮応力が与えられる粒子を筋粒子とし、前記嚥下時における前記筋粒子の運動を設定する筋収縮運動設定部と、を備える。

また、本発明に係る嚥下シミュレーション方法は、複数の粒子によって三次元画像でモデル化した複数の頭頸部器官を作製し、前記複数の頭頸部器官からなる動的三次元頭頸部粒子モデルを前記三次元画像により作製する頭頸部モデリングステップと、前記動的三次元頭頸部粒子モデルにおける前記複数の頭頸部器官の運動を設定する器官運動設定ステップと、経口摂取品を複数の粒子によって前記三次元画像でモデル化した擬似経口摂取品を、前記動的三次元頭頸部粒子モデルで嚥下させたときの前記頭頸部器官の運動と、前記擬似経口摂取品の嚥下時の挙動と、を粒子法に基づいて前記三次元画像で解析する運動解析ステップと、前記運動解析ステップにより前記三次元画像で解析された、前記擬似経口摂取品の嚥下時の前記頭頸部器官の運動と、前記擬似経口摂取品の嚥下時の挙動との解析結果を、動画像で表示する表示ステップと、を備え、前記器官運動設定ステップは、前記動的三次元頭頸部粒子モデルの前記複数の粒子のうち、前記擬似経口摂取品の嚥下時に前記頭頸部器官で強制的に移動する粒子を強制移動粒子とし、前記嚥下時における前記強制移動粒子の運動を設定する強制運動設定ステップと、前記動的三次元頭頸部粒子モデルの前記複数の粒子のうち、前記頭頸部器官の収縮筋ごとに前記三次元画像内で筋線維方向が特定され、かつ前記筋線維方向に基づく収縮応力が与えられる粒子を筋粒子とし、前記嚥下時における前記筋粒子の運動を設定する筋収縮運動設定ステップと、を備える。

本発明の方法によれば、頭頸部器官を粒子で作製し、所定の粒子を強制移動粒子と筋粒子とし、収縮筋ごとに筋線維方向に基づく収縮応力が筋粒子に与えられるように設定したことで、擬似経口摂取品の嚥下時における頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品の挙動などを従来よりも一段と正確に再現することができる嚥下シミュレーション装置及び嚥下シミュレーション方法を実現できる。

嚥下シミュレーション装置の回路構成を示すブロック図である。動的三次元頭頸部モデルの構成を示す概略図である。ＣＴ画像及びＶＦ画像に基づいて作製した静的三次元頭頸部モデルの構成を示す概略図である。動的三次元頭頸部粒子モデルの構成を示す概略図である。図４に示した動的三次元頭頸部粒子モデルの正中面における断面構成を示した断面図である。動的三次元頭頸部粒子モデルの舌と、擬似経口摂取品との構成を簡略化して示した概略図である。嚥下時に強制移動粒子が移動するときの軌跡の一部を移動軌跡線で表した概略図である。移動軌跡線に従って強制移動粒子を移動させたときの動的三次元頭頸部粒子モデルの状態変化を示した概略図である。筋粒子について説明するための概略図である。筋粒子の筋線維方向を説明するための概略図である。上咽頭収縮筋舌咽頭部において収縮筋が走行する方向を示す概略図である。上咽頭収縮筋舌咽頭部において筋粒子ごとに設定する筋線維方向を説明するための側面図である。上咽頭収縮筋舌咽頭部において筋粒子ごとに設定する筋線維方向を説明するための背面図である。中咽頭収縮筋小角咽頭上部及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部において収縮筋が走行する方向を示す概略図である。中咽頭収縮筋小角咽頭上部及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部において筋粒子ごとに設定する筋線維方向を説明するための側面図である。中咽頭収縮筋小角咽頭上部及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部において筋粒子ごとに設定する筋線維方向を説明するための背面図である。中咽頭収縮筋大角咽頭上部及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部の筋粒子において収縮筋が走行する方向を示す概略図である。中咽頭収縮筋大角咽頭上部及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部において筋粒子ごとに設定する筋線維方向を説明するための側面図である。中咽頭収縮筋大角咽頭上部及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部において筋粒子ごとに設定する筋線維方向を説明するための背面図である。下咽頭収縮筋甲状咽頭上部、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部及び下咽頭収縮筋輪状咽頭部において収縮筋が走行する方向を示す概略図である。下咽頭収縮筋甲状咽頭上部、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部及び下咽頭収縮筋輪状咽頭部において筋粒子ごとに設定する筋線維方向を説明するための側面図である。下咽頭収縮筋甲状咽頭上部、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部及び下咽頭収縮筋輪状咽頭部において筋粒子ごとに設定する筋線維方向を説明するための背面図である。上咽頭収縮筋舌咽頭部、中咽頭収縮筋小角咽頭上部、中咽頭収縮筋小角咽頭下部、中咽頭収縮筋大角咽頭上部、中咽頭収縮筋大角咽頭下部、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部及び下咽頭収縮筋輪状咽頭部における嚥下時の各活性化レベルの時間的変化を示したグラフである。動的三次元頭頸部粒子モデルにおける筋粒子に加わる接触力を説明するための概略図である。ハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法）を用いて動的三次元頭頸部粒子モデルで嚥下シミュレーションを行う際の演算処理手順を示すフローチャートである。本発明による動的三次元頭頸部モデルと、比較例である強制変移のみの動的三次元頭頸部モデルとについて、それぞれシミュレーションを行ったときの結果を対比した概略図である。本発明による動的三次元頭頸部モデルと、比較例の動的三次元頭頸部モデルとについて、それぞれシミュレーションを行った際の上咽頭収縮筋舌咽頭部の中間辺りにおける水平断面構成（１）を示した概略図である。本発明による動的三次元頭頸部モデルと、比較例の動的三次元頭頸部モデルとについて、それぞれシミュレーションを行った際の上咽頭収縮筋舌咽頭部の中間辺りにおける水平断面構成（２）を示した概略図である。本発明による動的三次元頭頸部モデルと、比較例の動的三次元頭頸部モデルとについて、それぞれシミュレーションを行った際の上咽頭収縮筋舌咽頭部の中間辺りにおける水平断面構成（３）を示した概略図である。本発明による動的三次元頭頸部モデルについてシミュレーションを行った際の下咽頭収縮筋甲状咽頭下部辺りにおける水平断面構成（１）を示した概略図である。本発明による動的三次元頭頸部モデルについてシミュレーションを行った際の下咽頭収縮筋甲状咽頭下部辺りにおける水平断面構成（２）を示した概略図である。嚥下時におけるＶＦ画像と、嚥下時における表面表示の動的三次元頭頸部モデルと、嚥下時における粒子表示の動的三次元頭頸部粒子モデルとについて比較した比較結果（１）を示す概略図である。嚥下時におけるＶＦ画像と、嚥下時における表面表示の動的三次元頭頸部モデルと、嚥下時における粒子表示の動的三次元頭頸部粒子モデルとについて比較した比較結果（２）を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

（１）＜本発明の概略について＞
図１は本発明の嚥下シミュレーション装置１の全体構成を示したブロック図である。嚥下シミュレーション装置１は、パーソナルコンピュータ（ＰＣとも称する）２と、入力部８１と、表示部４と、記憶部８３とを備えている。入力部８１は、マウス、キーボード等の入力機器であり、開発者からの操作命令をパーソナルコンピュータ２に出力し、パーソナルコンピュータ２において操作命令に応じた各種演算処理を実行させる。記憶部８３は、パーソナルコンピュータ２にて形成した粒子表示の動的三次元頭頸部粒子モデル（後述する）や、この動的三次元頭頸部粒子モデルから作製した表面表示の動的三次元頭頸部モデル（後述する）、設定条件、解析結果等を記憶する。

パーソナルコンピュータ２は、例えば、頭頸部器官からなる動的三次元頭頸部モデル（図２において後述する）を三次元画像により形成し、経口摂取品を三次元画像内で擬似経口摂取品（図２において後述する）としてモデル化する。パーソナルコンピュータ２は、動的三次元頭頸部モデルにおける各頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品の嚥下時の挙動とを、粒子法を用いて三次元画像内で解析することができる。

このような動的三次元頭頸部モデルは、例えば、誤嚥をし易い嚥下障害者の頭頸部、又は、誤嚥をし難い健常者の頭頸部等を模倣して形成する。例えば、誤嚥をし易い嚥下障害者の頭頸部をモデル化した動的三次元頭頸部モデルでは、嚥下障害者の嚥下時における各頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品の嚥下時の挙動を解析することができる。一方、誤嚥をし難い健常者の頭頸部をモデル化した動的三次元頭頸部モデルでは、健常者の嚥下時における各頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品の嚥下時の挙動を解析することができる。

パーソナルコンピュータ２で得られた解析結果は、表示部４に出力され、表示部４の表示画面に表示される。表示部４は、例えばディスプレイ等であり、パーソナルコンピュータ２から出力された動的三次元頭頸部モデルの三次元画像や、擬似経口摂取品、解析結果等を表示画面に表示する。これにより、表示部４は、動的三次元頭頸部モデルにおける各頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品の嚥下時の挙動、解析結果等を、開発者に対し視認させることができる。

このようにして、嚥下シミュレーション装置１において、擬似経口摂取品の食塊量や粘度、比重等の物性値を変えて、動的三次元頭頸部モデルによる嚥下シミュレーションを行うことができ、動的三次元頭頸部モデルによる誤嚥の有無等も確認することができる。

本実施形態では、液面の変形や飛沫等の表現が可能な解析方法として、解析対象の液体や固体を粒子として扱う粒子法を用い、この粒子法によって、動的三次元頭頸部モデルにおける頭頸部器官の動作や、経口摂取品の挙動を、三次元画像内に表して嚥下シミュレーションを行なう。粒子法としては、特にＭＰＳ（Moving Particle Semi-implicit）法（Koshizuka et al，Comput．Fluid Dynamics J，4，29-46，1995）を適用することが望ましい。嚥下シミュレーションによって嚥下時における擬似経口摂取品１００の挙動を解析する際の粒子法としては、ＭＰＳ法又はハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法：HMPS法）を適用することが望ましい。また、嚥下シミュレーションによって動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける各粒子の運動を解析する際の粒子法としては、ハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法）を適用することが望ましい。本実施形態では、嚥下シミュレーションによって動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける各粒子の運動を解析する粒子法として、ハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法）を適用した場合について以下説明する。

本実施形態の粒子法では、擬似経口摂取品を粒子に置き換えるだけでなく、動的三次元頭頸部モデルにおける頭頸部器官についても粒子に置き換え、粒子ごとに物理量を計算する。その結果、動的三次元頭頸部モデルにおける頭頸部器官や、擬似経口摂取品の嚥下時における微妙な変化の解析が可能となる。

本実施形態における嚥下シミュレーション装置１では、動的三次元頭頸部モデルにおける頭頸部器官についても粒子に置き換えるだけでなく、さらに、医学的知見に基づいて、口腔、咽頭部、喉頭部等の頭頸部器官における収縮筋の正確な構造や、嚥下時における当該収縮筋の挙動（筋線維方向及び収縮応力）を再現している。これにより、嚥下シミュレーション装置１では、擬似経口摂取品の嚥下時における頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品の挙動を、従来よりも一段と正確に再現することができる。

（２）＜嚥下シミュレーション装置におけるパーソナルコンピュータの回路構成＞
図１に示すように、パーソナルコンピュータ２は、頭頸部モデリング部１０、器官運動設定部３０、経口摂取品物性設定部４０、運動解析部５０、物性特定部７０及び制御部９０を備えている。頭頸部モデリング部１０は、図２に示すような頭頸部器官からなる動的三次元頭頸部モデル１０ａ（後述する）や、図４に示すような動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃを三次元画像により形成する。

なお、動的三次元頭頸部モデル１０ａは、図４に示すような粒子表示の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃからマーチングキューブ法などを用いて作製され、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの粒子１つ１つを表示せずに、単に頭頸部器官の表面を表示したものである。動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ及び擬似経口摂取品１００を構成する粒子１つ１つを全て表示させた状態で嚥下シミュレーションの解析結果を提示した場合、粒子１つ１つが描画されていることで表示形態が複雑化し、各頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品１００の挙動等の確認が難しい。

そこで、各頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品１００の挙動等が目視により確認し易いように、嚥下シミュレーションの解析結果を提示する際には、粒子１つ１つを表示させずに頭頸部器官の表面のみを表示した動的三次元頭頸部モデル１０ａを用いている。なお、擬似経口摂取品１００についても、表示部４に表示させる際、擬似経口摂取品１００を形成している粒子１つ１つは表示させずに、マーチングキューブ法などにより擬似経口摂取品１００の表面形状が生成され表示される。なお、ここでは、後述する動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃに着目して以下説明する。

器官運動設定部３０は、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける各頭頸部器官の運動を設定する。本実施形態における器官運動設定部３０は、強制運動設定部３１と、筋収縮運動設定部３２とを備える。強制運動設定部３１は、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃによる擬似経口摂取品１００の嚥下時に、頭頸部器官で強制的に移動する粒子を強制移動粒子（後述する）として設定し、これら複数の強制移動粒子の運動を設定する。筋収縮運動設定部３２は、医学的知見に基づき頭頸部器官の収縮筋ごとに三次元画像内で筋線維方向が特定され、かつ筋線維方向に基づく収縮応力が与えられる粒子を筋粒子（後述する）として設定し、擬似経口摂取品１００の嚥下時における当該収縮応力に基づいて筋粒子の運動を設定する。これにより、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃを形成する粒子は、強制移動粒子と、筋粒子と、これら強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子と、の３種類のいずれかに定義される。動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃは、器官運動設定部３０による設定状態を基に、各頭頸部器官が動いた嚥下シミュレーションを実行することができる。なお、強制移動粒子と、筋粒子と、これら強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子とについて、特に区別する必要がない場合には、以下、強制移動粒子と、筋粒子と、これら強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子とをまとめて、単に粒子と称する。

経口摂取品物性設定部４０は、解析対象としての飲食品、医薬品又は医薬部外品等の経口摂取品の物性値を設定し、経口摂取品をモデル化した擬似経口摂取品を三次元画像内に形成する。なお、経口摂取品物性設定部４０は、解析対象として異なる物性の液体、半固体又は固体の複数の擬似経口摂取品を設定することができる。なお、半固体としては例えばゼリー等を含み、固体としては例えば錠剤等も含む。

本実施形態の場合、経口摂取品物性設定部４０は、経口摂取品の物性値として、例えば、経口摂取品となる食塊の密度［ｇ／ｍＬ］と、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃに嚥下させる食塊量［ｍＬ］と、表面張力［Ｎ／ｍ］と、各頭頸部器官における接触角と、各頭頸部器官におけるスリップ係数と、を設定する。なお、ここでスリップ係数とは、生体表面と食塊（経口摂取品）の表面の濡れ性、撥水性を制御するパラメータであり、接触面における見かけの粘度として考えることができる。スリップ係数が大きい場合は界面での摩擦が大きくなり、結果的に食塊の動きにブレーキをかける効果がる。スリップ係数が小さい場合は界面での摩擦が小さくなり、０の場合は鏡面のような状態となる。スリップ係数１は流体の粘度と同等程度の摩擦効果を界面に与えることを意味する。スリップ係数は、想定する経口摂取品が有する濡れ性や撥水性等を解析して決定する。

この場合、経口摂取品物性設定部４０は、各頭頸部器官における接触角として、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける咽頭、喉頭、舌、軟口蓋での接触角をそれぞれ設定する。また、経口摂取品物性設定部４０は、各頭頸部器官におけるスリップ係数として、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの咽頭、喉頭、舌、軟口蓋でのスリップ係数をそれぞれ設定する。

なお、本実施形態においては、経口摂取品の物性値として上述した物性値のみだけでなく、例えば、経口摂取品が液体のときは、液量・粘度・表面張力・比重・熱伝導率・比熱等の物性値を設定するようにしてもよい。また、経口摂取品が固体のときには、形状・寸法・弾性係数・引っ張り強さ・降伏点・降伏応力・粘度のずり速度依存性・動的粘弾性・静的粘弾性・圧縮応力・破断応力・破断ひずみ・硬度・付着性・凝集性・熱伝導率・比熱等の物性値を設定するようにしてもよい。さらに、経口摂取品が半固体（可塑性があるが、流動性はない）であるときには、量・粘度・比重・降伏点・降伏点応力・粘度のずり速度依存性・動的粘弾性・静的粘弾性・圧縮応力・付着性・凝集性等の物性値を設定するようにしてもよい。

運動解析部５０では、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃで擬似経口摂取品１００を嚥下させたときの頭頸部器官の運動と、頭頸部器官の運動に伴う擬似経口摂取品１００の嚥下時の挙動と、を解析する。図４に示す動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおいて、粒子法による解析によって、舌１２の進行波的波動運動、喉頭蓋１５ａの回転運動、喉頭１５の往復運動、咽頭部１４の筋収縮運動等の動きが再現され、頭頸部内部に投入された擬似経口摂取品１００を動かす。擬似経口摂取品１００の動きも粒子法により解析される。擬似経口摂取品１００は固体・半固体・液体のいずれでも粒子として取り扱われる。

運動解析部５０は、経口摂取品物性設定部４０により擬似経口摂取品１００の物性値が変更されることで、当該物性値の影響により、舌１２の進行波的波動運動、軟口蓋１３ｂの挙上運動、喉頭蓋１５ａの反転運動、喉頭１５の挙上運動、声帯１５ｃの内転運動、披裂部１５ｂの前方運動、咽頭部１４の収縮と挙上運動等により、擬似経口摂取品１００が嚥下される際の経路を変化させる。

物性特定部７０は、運動解析部５０の解析結果を基に、誤嚥を回避できる擬似経口摂取品１００の食塊量、粘度及びせん断速度を推測する。このうち擬似経口摂取品１００の食塊量及び粘度は、経口摂取品物性設定部４０により設定される物性値である。

制御部９０は、パーソナルコンピュータ２の各部を制御して、嚥下シミュレーション装置１の諸機能を実行させる。制御部９０は内蔵メモリに嚥下シミュレーター（解析用ソフトウェア）を保有する。

（３）＜動的三次元頭頸部モデル（動的三次元頭頸部粒子モデル）の構成＞
次に、頭頸部モデリング部１０により形成される動的三次元頭頸部モデル１０ａ及び動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃについて説明する。図２は、頭頸部モデリング部１０により形成された動的三次元頭頸部モデル１０ａの構成を示した概略図である。

上述したように、表示部４には、例えば、図２に示すような表面表示の動的三次元頭頸部モデル１０ａ及び擬似経口摂取品１００が表示され、運動解析部５０による解析結果として、動的三次元頭頸部モデル１０ａにおいて擬似経口摂取品１００を嚥下したときの頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品１００の挙動と、が動画像により表示される。

なお、本実施形態においては、表面表示の動的三次元頭頸部モデル１０ａ及び擬似経口摂取品１００を用いて、頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品１００の挙動と、を動画像により提示する場合について説明するが、本発明はこれに限らず、粒子１つ１つが表示された粒子表示の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ及び擬似経口摂取品１００を用いて、頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品１００の挙動と、を動画像により提示するようにしてもよい。

表面表示の動的三次元頭頸部モデル１０ａと、粒子表示の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃとは、表示形態が異なるだけで、頭頸部器官の構成（頭頸部器官の粒子によるモデル化、強制移動粒子の設定、及び、筋粒子の設定）は同じであるため、ここでは、図２に示した表面表示の動的三次元頭頸部モデル１０ａを用いて、その構成を説明する。なお、図２では、喉頭１５等を説明するため軟骨等は図示していない。嚥下シミュレーションの解析結果を動画像で提示する際には、図２に示すように、軟骨等を有しない表面表示の動的三次元頭頸部モデル１０ａであってもよく、また、軟骨等その他の生体部位を有する動的三次元頭頸部モデルを適用してもよい。また、粒子表示の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃで嚥下シミュレーションの解析結果を動画像で提示する場合も同様に、軟骨等その他の生体部位についての有無は問わない。

ここで、図２において、Ｘ軸は、動的三次元頭頸部モデル１０ａの正中面と直交する身体左右方向（正中面の面法線方向）を示し、Ｙ軸は、Ｘ軸と直交し、かつ動的三次元頭頸部モデル１０ａの正中面と平行な身体前後方向を示し、Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸と直交する身体上下方向を示す。

動的三次元頭頸部モデル１０ａは、頭頸部器官として、オトガイ舌筋を含む舌１２と、喉頭１５と、声帯１５ｃと、披裂部１５ｂと、喉頭蓋１５ａと、気管１６と、咽頭部１４（咽頭の管壁１８ａ、咽頭の粘膜１８ｂを含む）と、口蓋１３（硬口蓋１３ａ及び軟口蓋１３ｂを含む）と、食道１７（食道入口部１７ａ、食道の管壁１７ｂを含む）とを有している。本実施形態では、主に、上述した舌１２、喉頭１５、声帯１５ｃ、披裂部１５ｂ、喉頭蓋１５ａ、気管１６、咽頭部１４、口蓋１３及び食道１７等をまとめて頭頸部器官と称するが、これら１つ１つについても単に頭頸部器官とも称する。なお、図２では、擬似経口摂取品１００の一例として流体状の食塊を示す。

本実施形態では、擬似経口摂取品１００を粒子により表現するとともに、動的三次元頭頸部モデル１０ａにおける頭頸部器官（本実施形態では、舌１２、喉頭１５、声帯１５ｃ、披裂部１５ｂ、喉頭蓋１５ａ、気管１６、咽頭部１４、口蓋１３及び食道１７）を粒子により表現する。

ただし、上述したように、動的三次元頭頸部モデル１０ａによる擬似経口摂取品１００の嚥下シミュレーションの解析結果を、動画像により開発者等に視認させる際には、動的三次元頭頸部モデル１０ａの頭頸部器官と、擬似経口摂取品１００との表面形状を表示させることが望ましい。これにより、頭頸部器官及び擬似経口摂取品１００を形成している粒子１つ１つを表示させる場合に比して、頭頸部器官及び擬似経口摂取品１００の表示形態を簡略化でき、開発者等に対して、頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品１００の挙動を容易に確認させることができる。

（４）＜動的三次元頭頸部粒子モデルの作製＞
（４－１）＜静的三次元頭頸部モデルの作製＞
ここで、粒子表示の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの作製方法について以下説明する。まずは、医学的知見により理解されている頭頸部の構造、及び、ＣＴ（コンピュータ断層撮影：Computed Tomography）画像により大まかに読み取ることのできる口蓋１３、舌１２、気管１６の形態から、咽頭部１４と食道入口部１７ａの位置を推定する。舌１２、口蓋１３、咽頭部１４、喉頭蓋１５ａ、喉頭１５、食道１７の構造を、ＣＧ（コンピュータグラフィックス：Computer Graphics）用ソフトウェア（Autodesk 3ds Max等）を用いてモデリングし、嚥下に関わる頭頸部器官を三次元（立体構造）で表した静的初期形状モデル（図示せず）を作製する。

得られた静的初期形状モデルに対して、ＶＦ（嚥下造影検査：Videofluoroscopic examination of swallowing）による嚥下時の造影画像（正面及び側面図）を重ね合わせて、立体構造を修正し、図３に示すように、被験者の安静時における頭頸部器官の立体的形状をＣＧによって描画した静的三次元頭頸部モデル１０ｂを作製する。または、嚥下中の４次元ＣＴ（Computed Tomography）画像（４ＤＣＴ画像）をもとにして静的三次元頭頸部モデルを作成することもできる。なお、図３に示す１１ａは舌骨であり、１１ｂは甲状軟骨である。このような静的三次元頭頸部モデル１０ｂは、頭頸部モデリング部１０により作製される。

（４－２）＜静的三次元頭頸部モデルの粒子によるモデル化＞
次に、この静的三次元頭頸部モデル１０ｂに基づいて、図４及び図５に示すような動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃを作製する。図５は、図４に示した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの正中面における断面構成を示した断面図である。以下、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの作製方法について説明する。

この場合、ＣＧで作製した静的三次元頭頸部モデル１０ｂ（図３）における頭頸部器官（舌１２、口蓋１３、咽頭部１４、喉頭蓋１５ａ、喉頭１５、食道１７）の表面を特定し、図４及び図５に示すように、頭頸部器官の表面を境界として、頭頸部器官ごとにそれぞれの領域内に粒子を配置する。

本実施形態における粒子は、三次元画像内で立体的形状を有した、三次元の球状粒子（本実施形態では単に粒子と称する）であり、例えば、乳児又は成人男性の平均的な大きさの頭頸部の原寸大モデルを三次元画像で作製する際には粒子の直径を0.1mm～3.0mm程度とすることが望ましく、そのうち、より好ましくは直径が0.6mm～1.5mm程度であることが望ましい。また、三次元画像内において作製した静的三次元頭頸部モデル１０ｂにおいて、喉頭蓋の厚さ（例えば、成人では約3.0mm程度の厚さであり、乳児では約1.5mm程度の厚さである）方向に対して粒子が、少なくとも２個以上形成されることが望ましい。粒子の直径が小さすぎるとパーソナルコンピュータ２の計算処理負担が大きくなりすぎるため好ましくなく、一方、粒子の直径が大きすぎると、頭頸部器官について細かな運動を再現できないため、粒子の直径は上記の範囲とすることが望ましい。本実施形態においては、頭頸部器官を形成する粒子として、三次元の球状粒子を適用した場合について述べるが、本発明はこれに限らず、直方体形状の粒子、多角形状の粒子等その他種々の形状でなる粒子により頭頸部器官を形成するようにしてもよい。

ここで、図６は、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの舌１２と擬似経口摂取品１００との構成を簡略化して示した概略図である。図６に示すように、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの舌１２は、ＣＴ画像及びＶＦ画像に基づいてＣＧにより作製した静的三次元頭頸部モデル１０ｂ（図３）の舌１２の表面１２ａが特定された後に、当該表面１２ａに囲まれた領域内に、隣接する粒子２０ａ同士が接するように粒子２０ａが隙間なく配置されることで、粒子によるモデル化が行われている。

また、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃで使用する擬似経口摂取品１００についても、ＣＧにより作製した擬似経口摂取品１００の表面１００ａが特定された後に、当該表面１００ａに囲まれた領域内に、隣接する粒子１００ｂ同士が接するように粒子１００ｂが隙間なく配置されることで、粒子によるモデル化が行われている。

動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃでは、上述した舌１２と同様に、口蓋１３も複数の粒子２０ｂで形成され、咽頭部１４も複数の粒子２０ｃで形成され、喉頭蓋１５ａ及び喉頭１５も複数の粒子２０ｄで形成され、食道１７も複数の粒子２０ｅで形成されている。このように、静的三次元頭頸部モデル１０ｂの各頭頸部器官をそれぞれ粒子により作製する処理は、頭頸部モデリング部１０により行われる。

ここで、本実施形態における動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃでは、複数の粒子のうち、所定領域にある粒子を、擬似経口摂取品１００の嚥下時に頭頸部器官で強制的に移動する強制移動粒子として設定している。また、本実施形態における動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃでは、複数の粒子のうち、強制移動粒子とした粒子以外で所定領域にある粒子を、筋線維方向に基づく収縮応力が与えられる筋粒子として設定している。

なお、強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子は、嚥下時に頭頸部器官で強制的に移動する位置（すなわち、嚥下時に三次元画像内で移動する座標）が規定されておらず、かつ、筋粒子のような筋線維方向への収縮応力についても規定されていない粒子である。このような強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子は、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃで擬似経口摂取品１００を嚥下させるシミュレーションを行う際、従来の粒子法により移動位置等の解析が行われる。なお、強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子の従来の嚥下シミュレーションの詳細については、文献「Kikuchi, T., Michiwaki, Y., Koshizuka, S., Kamiya, T., and Toyama Y., “Numerical simulation of interaction between organs and food bolus during swallowing and aspiration,” Computers in Biology and Medicine, 80, (2017), pp. 114‐123.」に開示されていることから、ここではその説明は省略し、以下、強制移動粒子と筋粒子とに着目して以下説明する。なお、次に説明する強制移動粒子に関し、粒子法を用いたシミュレーションについては、文献「Kikuchi, T., Michiwaki, Y., Kamiya, T. et al. Comp. Part. Mech. (2015) 2: 247. “Human swallowing simulation based on videofluorography images using Hamiltonian MPS method”」にも開示されている。

（４－３）＜動的三次元頭頸部粒子モデルにおける強制移動粒子の設定＞
動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃは、頭頸部器官を形成する粒子の中に、強制移動粒子と筋粒子とを有している。まずは、動的三次元頭頸部粒子モデルにおける強制移動粒子の設定について説明する。

動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃは、頭頸部器官の一部の粒子を強制移動粒子として設定し、この強制移動粒子によって、嚥下時に主活動筋と考えられる筋の運動をモデル化している。この場合、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃで擬似経口摂取品１００を嚥下した際における舌１２、口蓋１３、咽頭部１４、喉頭蓋１５ａ、喉頭１５及び食道１７等を形成している粒子の中から、擬似経口摂取品１００の嚥下時に、剛体的な強制変位を与える粒子を選定してこれを強制移動粒子１９として設定する。

強制移動粒子１９は、実際に被験者が経口摂取品を嚥下する際における頭頸部器官の筋の運動が反映されるように、解剖学的知見や、医用画像の分析研究の知見から選定する。本実施形態では、所定の経口摂取品を被験者に嚥下させたときに得られたＶＦ画像や４ＤＣＴ画像において頭頸部器官をトレースし、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ内で強制的に移動させる強制移動粒子１９を選定している。

また、所定の経口摂取品を被験者に嚥下させたときに得られたＶＦ画像や４ＤＣＴ画像に基づいて、嚥下開始から嚥下終了までの間、所定時間（例えば、０．１Ｓ）ごとに各強制移動粒子１９が三次元画像内で移動する位置を決定し、各強制移動粒子１９について、嚥下時における時間と位置とを設定する。

すなわち、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおいて、例えば、嚥下開始時である０．０Ｓのとき、三次元画像内のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸での座標が（０．０、０．２、－０．２）にある強制移動粒子１９について、嚥下開始時から０．１Ｓのとき座標（０．０、０．２、０．０）に移動し、０．２Ｓのとき座標（０．０、０．３、０．３）に移動することを設定する。

ここで、図４及び図５において黒丸で示した粒子は、本実施形態における強制移動粒子１９を示しており、例えば、舌１２、口蓋１３及び喉頭１５等の一部に設定されている。本実施形態の舌１２では、図５に示すように、複数の強制移動粒子１９が集まった島状の粒子群１９ａが、下縦舌筋に沿って所定間隔で設定されている。口蓋１３では、軟口蓋の口腔側に位置する箇所に、複数の強制移動粒子１９が集まった島状の粒子群１９ｂが設定されている。

また、本実施形態の喉頭１５では、喉頭蓋谷付近に位置する箇所に、複数の強制移動粒子１９が集まった島状の粒子群１９ｃが設定され、喉頭隆起付近に位置する箇所にも、複数の強制移動粒子１９が集まった島状の粒子群１９ｄが設定され、後輪状披裂筋付近にも、複数の強制移動粒子１９が集まった粒子群１９ｅが設定されている。さらに、食道１７にも、複数の強制移動粒子１９が集まった島状の粒子群１９ｆが、気道側の管壁に沿って所定間隔に設定されている。

ここで、図７は、図５に示した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおいて、嚥下時に強制移動粒子１９が移動するときの軌跡の一部を、移動軌跡線２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄで表した概略図である。例えば、２２ａは、舌１２に設定した強制移動粒子１９の移動軌跡線を示し、２２ｂは、口蓋１３の軟口蓋に設定した強制移動粒子１９の移動軌跡線を示し、２２ｃは、喉頭１５に設定した強制移動粒子１９の移動軌跡線を示し、２２ｄは、食道１７の菅壁に設定した強制移動粒子１９の移動軌跡線を示す。

図８は、移動軌跡線２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ（以下、これらをまとめて移動軌跡線２２とする）に従って、強制移動粒子１９を移動させたときの動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ１，１０ｃ２，１０ｃ３，１０ｃ４の状態変化を示した概略図である。図８では、約１２Ｓで所定の擬似経口摂取品１００を嚥下する動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃを一例とし、嚥下開始時である０Ｓの動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ１と、嚥下開始から約７Ｓ後の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ２と、嚥下開始から約９Ｓ後の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ３と、嚥下開始から約１１Ｓ後の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ４とを示す。

このように、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃでは、頭頸部器官の所定位置に強制移動粒子１９を設け、各強制移動粒子１９が嚥下時に移動する位置と時間とを予め設定することで、嚥下時における頭頸部器官の基本的な運動（進行波的波動運動、回転運動、上下運動、前後運動、収縮運動等）を再現させている。なお、このような動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの強制移動粒子１９の運動は、器官運動設定部３０の強制運動設定部３１で設定する。

（４－４）＜動的三次元頭頸部粒子モデルにおける筋粒子の設定＞
動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおいて嚥下時の咽頭部１４等の挙動を精度よく再現するためには、嚥下時に咽頭部１４等の壁面の長さが短縮する運動を再現することが望ましい。そこで、本実施形態における動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃでは、咽頭部１４等の粒子に対して単に剛体的な強制変位を与えるだけでなく、咽頭部１４等の筋種ごとに三次元画像内で各筋粒子に筋線維方向を設定し、かつ筋線維方向に基づく最適な収縮応力を筋粒子に与え、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける嚥下時の挙動を精度よく再現している。なお、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおいて筋線維方向に基づく収縮応力を与える粒子を筋粒子と称する。

動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおいて、例えば、舌１２を形成する粒子２０ａの中から筋粒子を設定する場合、図９に示すように、解剖学的知見やＶＦ画像、４ＤＣＴ画像等に基づき、嚥下時に舌１２が短縮する筋体領域ＥＲ_１，ＥＲ_２等を三次元画像内で特定し、各筋体領域ＥＲ_１，ＥＲ_２内に存在している粒子２０ａを探索する。例えば、筋体領域ＥＲ_１内にある粒子２０ａを、舌１２の筋粒子とし、三次元画像の仮想空間内において、筋粒子ごとに筋線維方向を定義する。

筋粒子に設定する筋線維方向の詳細については後述するが、解剖学的知見やＶＦ画像、４ＤＣＴ画像等に基づき、舌１２の筋体領域ＥＲ_１内の空間内に、嚥下時に筋収縮が生じている方向を線分Ａとして複数設定し、筋粒子ごとに、近傍にある各線分Ａの方向の重み付け平均を筋線維方向としている。本実施形態においては、例えば、筋粒子から最も近い第１線分と、筋粒子に対して２番目に近い第２線分との２つの線分を特定し、筋粒子から第１線分までの距離と、筋粒子から第２線分までの距離とについて、筋粒子からの距離の近さに応じた重みを付けて第１線分の方向と第２線分の方向とを平均して筋線維方向を求めている。ただし、筋線維方向の求め方は、この手法である必要はなく、例えば、筋体領域ＥＲ_１内に定義した全線分を用いて、放射基底関数（Radial Basis Function）補間を行うことでも、より滑らかに空間分布する、筋線維方向を得ることができる。

また、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおいて、擬似経口摂取品１００を嚥下させたときに、頭頸部器官の収縮筋の筋種ごとに生じる、筋粒子の収縮応力の時間的変化を、活性化レベルとして設定し、活性化レベルにより嚥下時の収縮応力の大きさを設定している。なお、この活性化レベルについては後述する。

ここでは、始めに、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける咽頭部１４に着目し、咽頭部１４における収縮筋ごとに設定する筋線維方向について以下説明する。図１０の左図は、図３に示した静的三次元頭頸部モデル１０ｂに、咽頭部１４の収縮筋が走行する方向Ａａ，Ａｂ，Ａｃ，Ａｄ，Ａｅ，Ａｆ，Ａｇ，Ａｈを示した筋線維モデル１０ｄの概略図である。図１０の右図は、左図の筋線維モデル１０ｄに示した咽頭収縮筋が走行する方向Ａａ，Ａｂ，Ａｃ，Ａｄ，Ａｅ，Ａｆ，Ａｇ，Ａｈを基に、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける咽頭部１４において筋粒子１つ１つの筋線維方向を示した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｅの概略図である。

本実施形態では、筋線維モデル１０ｄ及び動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｅに示すように、解剖学的知見に基づき、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈとに、咽頭部１４を区分けしている。

上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈとについては、それぞれの領域内に筋粒子となる粒子が隙間なく配置され、粒子によるモデル化が行われている。

そして、これら上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈとについて、それぞれ収縮筋が走行する方向Ａａ，Ａｂ，Ａｃ，Ａｄ，Ａｅ，Ａｆ，Ａｇ，Ａｈは、図６で説明したように、解剖学的知見やＶＦ画像等に基づき、嚥下時に、各筋収縮筋の部位ごとにそれぞれ生じる細かな筋収縮方向を線分として設定した後、筋粒子ごとに、近傍にある各線分の方向の重み付け平均をして求めたものである。なお、図１０の左側に示した、収縮筋が走行する方向Ａａ，Ａｂ，Ａｃ，Ａｄ，Ａｅ，Ａｆ，Ａｇ，Ａｈは、説明の便宜上、筋線維方向のおおよその方向を示したものである。咽頭部１４の各筋粒子１つ１つは、このような収縮筋が走行する方向Ａａ，Ａｂ，Ａｃ，Ａｄ，Ａｅ，Ａｆ，Ａｇ，Ａｈに従って筋線維方向を定義している。

以下、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈとについてそれぞれ順番に説明する。

なお、最終的に作製された動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃは、マーチングキューブ法などにより頭頸部器官の表面形状が形成され、図２に示すように、頭頸部器官の粒子１つ１つは表示しないで頭頸部器官の表面形状を表示した動的三次元頭頸部モデル１０ａが作製される。

＜上咽頭収縮筋舌咽頭部＞
上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａは、咽頭部１４の最上部に位置する。図１１は、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａに設定された筋粒子の全体的な筋線維方向の概略を方向Ａａとして示した概略図である。図１２は、筋粒子ごとに筋線維方向を定義した上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａの側面構成を示した概略図であり、図１３は、筋粒子ごとに筋線維方向を定義した上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａの背面構成を示した概略図である。なお、ここで、図１２及び図１３は、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａを細かな円柱で図示しており、各円柱１つ１つは、筋線維方向を示した筋粒子を表している。

上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａは、嚥下時に上から順に収縮して、擬似経口摂取品１００を下方に移動させる方向Ａａに沿って筋線維方向が規定されている。また、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａの上部は、咽頭後壁を上方に引き上げて、軟口蓋とともに咽頭鼻部を口腔から遮断する方向Ａａに筋線維方向が規定されている。

＜中咽頭収縮筋小角咽頭上部と中咽頭収縮筋小角咽頭下部＞
中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂ及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃは、咽頭部１４の中間に位置している。図１４は、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂに設定された筋粒子の全体的な筋線維方向の概略を方向Ａｂとして示し、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃに設定された筋粒子の全体的な筋線維方向の概略を方向Ａｃとして示した概略図である。

図１５は、筋粒子ごとに筋線維方向を定義した中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂ及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃの側面構成を示した概略図であり、図１６は、筋粒子ごとに筋線維方向を定義した中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂ及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃの背面構成を示した概略図である。なお、ここでも、図１５及び図１６は、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂ及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃをそれぞれ細かな円柱で図示しており、各円柱１つ１つは、筋線維方向を示した筋粒子を表している。

中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂ及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃは、舌骨の小角（小角咽頭部）から設けられており、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａの下部を下方から覆いながら内側上方に進み咽頭縫線に向かう方向Ａｂ，Ａｃに沿って筋線維方向が設定されており、嚥下時に上から順に収縮して、擬似経口摂取品１００を下方に移動させる。

＜中咽頭収縮筋大角咽頭上部と中咽頭収縮筋大角咽頭下部＞
中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄ及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅは、咽頭部１４の中間に位置している。図１７は、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄに設定された筋粒子の全体的な筋線維方向の概略を方向Ａｄとして示し、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅに設定された筋粒子の全体的な筋線維方向の概略を方向Ａｅとして示した概略図である。

図１８は、筋粒子ごとに筋線維方向を定義した中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄ及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅの側面構成を示した概略図であり、図１９は、筋粒子ごとに筋線維方向を定義した中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄ及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅの背面構成を示した概略図である。なお、ここでも、図１８及び図１９は、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄ及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅをそれぞれ細かな円柱で図示しており、各円柱１つ１つは、筋線維方向を示した筋粒子を表している。

中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄ及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅは、舌骨の大角（大角咽頭部）から設けられており、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａ、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂ及び中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃを下方から覆いながら内側上方に進み咽頭縫線に向かう方向Ａｄ，Ａｅに沿って筋線維方向が設定されており、嚥下時に上から順に収縮して、擬似経口摂取品１００を下方に移動させる。

＜下咽頭収縮筋甲状咽頭上部と下咽頭収縮筋甲状咽頭下部と下咽頭収縮筋輪状咽頭部＞
下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈは、咽頭部１４の最下部に位置している。図２０は、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆに設定された筋粒子の全体的な筋線維方向の概略を方向Ａｆとして示し、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇに設定された筋粒子の全体的な筋線維方向の概略を方向Ａｇとして示し、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈに設定された筋粒子の全体的な筋線維方向の概略を方向Ａｈとして示した概略図である。

図２１は、筋粒子ごとに筋線維方向を定義した下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈの側面構成を示した概略図であり、図２２は、筋粒子ごとに筋線維方向を定義した下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈの背面構成を示した概略図である。なお、ここでも、図２１及び図２２は、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈをそれぞれ細かな円柱で図示しており、各円柱１つ１つは、筋線維方向を示した筋粒子を表している。

下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇは、甲状軟骨の斜線から咽頭縫線にかけて設けられており、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃを下方から覆いながら内側上方に進み咽頭縫線に向かう方向Ａｆ，Ａｇに沿って筋線維方向が設定されており、嚥下時に上から順に収縮して、擬似経口摂取品１００を下方に移動させる。

下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈは、食道入口部括約筋として機能するものであり、食道入口部１７ａを下方から覆いながら内側上方に進み咽頭縫線に向かう方向Ａｈに沿って筋線維方向が設定されており、嚥下時に擬似経口摂取品１００を咽頭部１４から食道１７に移動させる。

（５）＜動的三次元頭頸部粒子モデルにおける構造解析手法＞
ここで、嚥下シミュレーション装置１では、擬似経口摂取品１００を動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃで嚥下させたときの各頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品１００の嚥下時の挙動と、を粒子法に基づいて三次元画像でシミュレーション解析する。

なお、このような嚥下シミュレーションの解析結果を表示部４に表示させる際は、上述したように、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃを形成している粒子１つ１つは表示せずに、頭頸部器官の表面のみを表示して構成を簡略化し、見易くした動的三次元頭頸部モデル１０ａが用いられる。なお、擬似経口摂取品１００も同様に、表示部４には、擬似経口摂取品１００の表面形状のみが表示される。ここでは、粒子１つ１つを表記した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃに着目して、嚥下シミュレーションについて以下説明する。

本実施形態では、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける頭頸部器官の動作や、擬似経口摂取品１００の挙動を三次元画像内に表して嚥下シミュレーションを行なう際、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける頭頸部器官の筋粒子を、ムーニー・リブリン（Mooney‐Rivlin）体として粒子法（例えば、ハミルトニアン粒子法：Hamiltonian MPS法）により運動解析部５０で解析する。なお、ここでは、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃを形成する粒子のうち、主に筋粒子に着目して以下説明する。

この際、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける各筋粒子の運動を決定する支配方程式は次の（４）式となる。

ρは、筋粒子ｉの密度、ｖ_ｉは、筋粒子ｉの速度ベクトル、添え字のｉは、筋粒子ｉを識別するための識別子、ｔは時間、∂ｖ_ｉ／∂ｔは、現在時刻における筋粒子ｉの加速度である。

ｆ_{ｉ,ｅｌａｓｔｉｃ}は、粒子法により筋粒子ｉに加わる弾性力である。ｆ_{ｉ,ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ}は、筋粒子ｉに加わる人工ポテンシャル力である。ｆ_{ｉ,ｖｉｓｃｏｕｓ}は、筋粒子ｉに加わる粘性力である。ｆ_{ｉ,ｃｏｎｔａｃｔ}は、筋粒子ｉが他の筋粒子と接触した際に筋粒子ｉに加わる接触力である。ｆ_{ｉ,ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ}は、筋粒子ｉに加わる擬似経口摂取品からの流体力である。以下、これらについて順番に説明する。なお、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの各筋粒子は、嚥下シミュレーション時、上記の（４）式から、各筋粒子の三次元画像内の位置や速度が求められ、得られた位置や速度に基づいて移動する。すなわち、各筋粒子は、嚥下シミュレーション時、単に筋線維方向に移動するわけではなく、上記の（４）式に基づいて求められた位置や速度に従って三次元画像内を移動する。

＜筋粒子ｉに加わる弾性力ｆ_{ｉ,ｅｌａｓｔｉｃ}＞
ここで、ハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法）では、筋粒子ｉ及び他の筋粒子ｊ間の現在時刻における相対位置ベクトルをｒ_ｉｊとし、筋粒子ｉ及び筋粒子ｊ間の初期時刻０における相対位置ベクトルをｒ^０ _ｉ，ｊとした場合、相対位置ベクトルをｒ_ｉｊ，ｒ^０ _ｉ，ｊを用いて、筋粒子ｉの変形勾配テンソルＦ_ｉを次の（５）式で求めることができる。なお、初期時刻０とは嚥下シミュレーションの開始時である０Ｓを示す。

上記の円の中に×を設けた記号はテンソル積を示し、ｗ^０ _ｉｊは、筋粒子ｉ及び筋粒子ｊ間の初期時刻０における重み関数である。Ａ_ｉは、下記の（６）式で表される。

また、筋粒子ｉに加わる弾性力ｆ_{ｉ,ｅｌａｓｔｉｃ}は、弾性ひずみポテンシャルエネルギーの総和Ｗ＝Π：Ｆを微分することで求めることができ、下記の（７）式で表される。

すなわち、筋粒子ｉに加わる弾性力ｆ_{ｉ,ｅｌａｓｔｉｃ}は下記の（８）式で表される。

上記の（７）式のΠ_ｊは、筋粒子ｊにおける第１ピオラ-キルヒホッフ（Piola‐Kirchhoff）応力テンソルである。Ｆ_ｊは、筋粒子ｊの変形勾配テンソルである。Ａ_ｊは、筋粒子ｊに関する上記の（６）式である。

Ｓ_ｉは、筋粒子ｉにおける第２ピオラ-キルヒホッフ（Piola‐Kirchhoff）応力テンソルであり、筋粒子ｉに与えられる、筋収縮方向に基づく収縮応力を示す。なお、Ｓ_ｊは、筋粒子ｊにおける第２ピオラ‐キルヒホッフ（Piola‐Kirchhoff）応力テンソルである。ここで、第２ピオラ‐キルヒホッフ応力テンソルＳは下記の（９）式で表される。

Ｓ_{ｐａｓｓｉｖｅ}は、他の筋粒子及び強制移動粒子の移動により受ける受動的な応力である受動的応力を表し、Ｓ_{ａｃｔｉｖｅ}は、筋線維方向に基づく能動的な収縮応力である能動的収縮応力を表す。

Ｓ_{ｉ，ａｃｔｉｖｅ}は、筋粒子ｉにおける能動的収縮応力Ｓ_{ａｃｔｉｖｅ}を示しており、下記の（１０）式で表される。

Ｓ_ｉ，ｍは、下記の（１１）式の演算式で表される。添え字のｉは、筋粒子ｉを識別する識別子、添え字のｍは、頭頸部器官の収縮筋の筋種ごとに規定された識別子である。本実施形態における頭頸部器官の収縮筋の筋種とは、咽頭部１４における筋種であり、添え字のｍは、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈとのうちいずれかを示す。

α_ｍは、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃによる擬似経口摂取品１００の嚥下時に、頭頸部器官の筋種ｍにおける筋粒子の活性化レベルの時間的変化を示すものである。

活性化レベルα_ｍは、解剖学的知見やＶＦ画像等に基づき、咽頭部１４の筋種ｍごとに予め設定される。本実施形態では、図２３に示すように、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈとについて、それぞれ嚥下時の時間経過に合わせて活性化レベルα_ｍが設定されている。

なお、本実施形態では、図２３に示すように、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈとにおける、嚥下時の活性化レベルα_ｍの最大値が、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅとにおける、嚥下時の活性化レベルα_ｍの最大値よりも、大きく選定されている。

また、本実施形態では、図２３に示すように、嚥下時、まず、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａの活性化レベルα_ｍが最大となった後、次に、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂの活性化レベルα_ｍが最大となり、その後、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆ及び下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇの活性化レベルα_ｍが最大となり、最後に、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈの活性化レベルα_ｍが最大となっている。

また、本実施形態では、図２３に示すように、嚥下時、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂの活性化レベルα_ｍが立ち上がった後に、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃ、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄ及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅの順に活性化レベルα_ｍが順次立ち上がり、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆ及び下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇの活性化レベルα_ｍが最大値になる前に、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃ、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄ及び中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅの活性化レベルα_ｍが最大となっている。

ｆ_ｍａｘは、活性化レベルα_ｍが最大値のときの最大の能動的収縮応力であり、ｆ_ｌは、現在時刻における筋線維長に基づく能動的収縮応力の補正係数である。ａ^０ _ｉ，ｍは、筋種ｍの筋粒子ｉに設定した初期時刻０の筋線維方向を示す。

本実施形態では、活性化レベルα_ｍが０≦α_ｍ≦１とし、最大の能動的収縮応力ｆ_ｍａｘは、α_ｍ＝１のときｆ_ｍａｘ＝７００ｋＰａとしている。補正係数ｆ_ｌは下記の（１２）式により表される。

なお、上記の（１２）式において、Ｉ_４は下記の（１３）式で表され、ＣＩ_４ ^０は至適長状態を示す定数である。なお、Ｃ_ｉは筋粒子ｉの右コーシー・グリーン（Cauchy‐Green）変形テンソルである。

次に受動的応力Ｓ_{ｐａｓｓｉｖｅ}について説明する。受動的応力Ｓ_{ｐａｓｓｉｖｅ}は次の（１４）式で表される。

Ｗは下記の（１５）式で表される。Ｃは、右コーシー・グリーン（Cauchy‐Green）変形テンソルであり、Ｃ＝Ｆ^ＴＦで表される。Ｆは変形勾配テンソルであり、Ｆ^ＴはＦの転置行列を示す。

上記の（１５）式において、Ｃ_１、Ｃ_２及びＤ_１はムーニー・リブリン（Mooney‐Rivlin）体の材料定数であり、Ｉ^－ _１はＣの第１低減不変量であり、Ｊは、Ｊ＝ｄｅｔＦである。

＜筋粒子ｉに加わる人工ポテンシャル力ｆ_{ｉ,ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ}＞
筋粒子ｉの人工ポテンシャル力ｆ_{ｉ,ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ}は、ハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法）による特異性のある変位モードとそれによる振動を抑制するものであり、変形勾配テンソルＦの誤差を打ち消す方向に働くものである。この筋粒子ｉの人工ポテンシャル力ｆ_{ｉ,ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ}は下記の（１６）式で表される。この（１６）式のＣ_ｉ ^artは下記の（１７）式で表される。

なお、この人工ポテンシャル力ｆ_{ｉ,ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ}の計算方法の詳細は、文献「Kikuchi, T., Michiwaki, Y., Koshizuka, S., Kamiya, T., and Toyama Y., “Numerical simulation of interaction between organs and food bolus during swallowing and aspiration,” Computers in Biology and Medicine, 80, (2017), pp. 114‐123.」と、文献「「Kikuchi, T., Michiwaki, Y., Kamiya, T. et al. Comp. Part. Mech. (2015) 2: 247. “Human swallowing simulation based on videofluorography images using Hamiltonian MPS method”」とに開示されていることから、ここではその説明は省略する。

＜筋粒子ｉに加わる粘性力ｆ_{ｉ,ｖｉｓｃｏｕｓ}＞
筋粒子ｉに加わる粘性力ｆ_{ｉ,ｖｉｓｃｏｕｓ}は、筋粒子ｉの速度を減衰させ、計算を安定化させるものであり、下記の（１８）式で表される。

ρは、筋粒子ｉの密度である。ν^elaは弾性体の粘度である。ｄは次元数である。λ及びｎ^０はハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法）の定数である。

この粘性力ｆ_{ｉ,ｖｉｓｃｏｕｓ}の計算方法の詳細は、上記と同様の文献「Kikuchi, T., Michiwaki, Y., Koshizuka, S., Kamiya, T., and Toyama Y., “Numerical simulation of interaction between organs and food bolus during swallowing and aspiration,” Computers in Biology and Medicine, 80, (2017), pp. 114‐123.」に開示されていることから、ここではその説明は省略する。

＜筋粒子ｉに加わる接触力ｆ_{ｉ,ｃｏｎｔａｃｔ}＞
筋粒子ｉに加わる接触力ｆ_{ｉ,ｃｏｎｔａｃｔ}は、筋粒子同士の接触力であり、垂直抗力ｆ_{ｉ，ｎｏｒ}と摩擦力ｆ_{ｉ，ｔａｎ}とを合わせたものとなる。ここでは、ペナルティ法によって壁面（接触する他の筋粒子ｊから決定した壁面）にめり込んだ筋粒子ｉに接触力を与える。他の物体との接触境界条件として適用されるペナルティ法では、他の物体に接触した筋粒子ｉに対してペナルティ力、すなわち反発力として下記の（１９）式で表される垂直抗力ｆ_{ｉ，ｎｏｒ}が筋粒子ｉに与えられる。

ｋは、ペナルティ係数であり、ｐは、めり込み量であり、ｎは、垂直抗力ｆ_{ｉ，ｎｏｒ}の単位方向ベクトルである。図２４に示すように、垂直抗力ｆ_{ｉ，ｎｏｒ}は、壁面とめり込み量ｐに比例した大きさの力を、壁面の法線ベクトルｎの方向へ与えるものである。

また、摩擦力ｆ_{ｉ，ｔａｎ}は、下記の（２０）式で表される。

ρ_ｉは、筋粒子ｉの密度であり、μ_ｔａｎは、摩擦係数であり、ｖ_{ｉｗ，ｔａｎ}は、筋粒子ｉと壁面の相対速度のうち、壁面の法線ベクトルｎに垂直な成分である。

このような接触力ｆ_{ｉ,ｃｏｎｔａｃｔ}の計算方法の詳細は、文献「菊地貴博, 道脇幸博, 越塚誠一, 神谷哲, 長田尭, 神野暢子, 外山義雄. 壁境界条件としてペナルティ法を導入したHamiltonian MPS 法による超弾性体モデルの単軸圧縮シミュレーション. 日本計算工学会論文集, 2014:20140010, 2014」に開示されていることから、ここではその説明は省略する。

＜筋粒子ｉに加わる擬似経口摂取品からの流体力ｆ_{ｉ,ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ}＞
ここでは、構造粒子（筋粒子）を壁粒子として流体解析を行い、構造粒子が流体粒子（擬似経口摂取品１００の粒子）に与える力の反作用力を、筋粒子ｉが流体粒子から受ける流体力ｆ_{ｉ,ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ}として与える。非圧縮性流体の支配方程式は、下記の（２１）式で表すことができる。ここでは、嚥下させる擬似経口摂取品１００はニュートン流体としてＥ－ＭＰＳ法（Explicit MPS法）を用いて解析する。

筋粒子ｉに加わる擬似経口摂取品からの流体力ｆ_{ｉ,ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ}の支配方程式は下記の（２１）式となる。

ここで、上記の（２１）式の右辺第１項は圧力勾配項であり、右辺第２項は粘性項であり、右辺第３項は重力項であり、右辺第４項は表面張力項である。

ｖは流体（擬似経口摂取品１００）の速度、ρは流体の密度、Ｐは流体の圧力、νは流体の動粘性係数、ｇは重力加速度、ｆ_{ｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎ}は表面張力である。上記の（２１）式の右辺の重力加速度以外の各項は、流体粒子が壁粒子から受ける壁境界条件の影響を含んだ形で定式化されている。

このような非圧縮性流体の支配方程式に関する計算方法の詳細は、その詳細については、文献「大地雅俊, 越塚誠一, 酒井幹夫. 自由表面流れ解析のためのMPS 陽的アルゴリズムの開発. 日本計算工学会論文集, 2010:20100013, 2010.」や、文献「鈴木幸人. 粒子法の高精度化とマルチフィジクスシミュレータに関する研究. 博士論文, 2007.」、文献「近藤雅裕, 越塚誠一, 滝本正人. MPS 法における粒子間ポテンシャル力を用いた表面張力モデル. 日本計算工学会論文集, 2007:20070021, 2007.」に開示されていることから、ここではその説明は省略する。

なお、上記の（２１）式の流体の圧力Ｐについて、流体から筋粒子ｉに加わる圧力Ｐ_ｉは下記の（２２）式で表される。

ｃは流体の音速、ｎ_ｉは筋粒子ｉに対して他の全ての筋粒子及び流体粒子との間で重み関数の和をとったもので筋粒子ｉの粒子数密度と称するものである。ｎ_０は筋粒子ｉの初期時刻０での粒子数密度である。▽Ｐ_ｉは下記の（２３）式で表される。Ｐ_ｊは流体から筋粒子jに加わる圧力である。

表面張力ｆ_{ｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎ}は、下記の（２４）式で表される。

Ｃ^ＳＴ _ｉｊはポテンシャル力の係数である。φは下記の（２５）で表される。

ｌ_０は初期最近接粒子間距離であり、ｒ_ｅはポテンシャル力の影響半径である。

（６）＜ハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法）による演算処理手順＞
本実施形態における嚥下シミュレーション装置１では、上述した「（５）＜動的三次元頭頸部粒子モデルにおける構造解析手法＞」で説明した各式が、運動解析部５０に記憶されている。嚥下シミュレーション装置１は、経口摂取品物性設定部４０によって擬似経口摂取品１００の物性値が設定されると、運動解析部５０に記憶されている各式に基づいて動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの筋粒子の運動（筋粒子が移動する位置ｒ及び速度ｖ）や、擬似経口摂取品１００の挙動を算出することができる。

嚥下シミュレーション装置１は、このような算出結果に基づいて、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃや動的三次元頭頸部モデル１０ａが擬似経口摂取品１００を嚥下する嚥下シミュレーションを動画像により提示することができる。

ここで、図２５は、ハミルトニアン粒子法（Hamiltonian MPS法）を用いて動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃでの嚥下シミュレーションを行う際の演算処理手順を示したフローチャートである。なお、ここでは、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの咽頭部１４における所定の筋粒子ｉに着目して以下説明するが、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの各筋粒子に対してそれぞれ以下の演算処理が行われる。

なお、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃに設定した強制移動粒子については、嚥下開始から嚥下終了までの間に移動する位置（三次元画像内の座標）が予め決められていることから、嚥下シミュレーション時における強制移動粒子の三次元画像内での移動は、下記の演算処理では特定されない。しかしながら、強制移動粒子についても下記の演算処理は行われる。その理由は、強制移動粒子において算出した応力等が、筋粒子や、他の粒子（強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子）に影響を与えるためである。すなわち、強制移動粒子において算出した第２ピオラ-キルヒホッフ応力テンソルが、例えば、筋粒子ｉの演算処理を行う際に、ステップＳ３の弾性力（上記の（８）式）の算出に影響を与える。また、強制移動粒子において算出した変形勾配テンソルが、例えば、筋粒子ｉの演算処理を行う際に、ステップＳ３の人工ポテンシャル力（上記の（１６）式）の算出、及び、ステップＳ４の接触力の解析（上記の（１９）式と（２０）式）に影響を与える。

また、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける、強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子についても、下記の演算処理が行われるが、この際は、筋粒子で演算が行われる能動的収縮応力Ｓ_{ａｃｔｉｖｅ}の演算は行われない。すなわち、強制移動粒子及び筋粒子以外の粒子では、ステップＳ３において「弾性力」を求める際に、上述した能動的収縮応力Ｓ_{ａｃｔｉｖｅ}が存在しない演算が行われる。

動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの筋粒子ｉの場合、始めに、ステップＳ１において、運動解析部５０は、タイムステップｔにおける動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの筋粒子ｉの位置ｒ^ｔと、速度ｖ^ｔとを仮定し、次のステップＳ２に移る。初期のステップＳ１では、位置ｒ^ｔ＝ｒ^０となり、これは動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの初期形状そのものであり、速度ｖ^ｔ＝ｖ^０は０となる。なお、ステップＳ１０から戻った２回目以降のステップＳ１は、前のステップＳ９で求められた位置ｒ´と速度ｖ´を、位置ｒ^ｔ及び速度ｖ^ｔとして用いる。

ステップＳ２において、運動解析部５０は、筋粒子ｉに加わる擬似経口摂取品１００からの流体力ｆ_{ｉ,ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ}について、上記の（２１）式における右辺第２項の粘性項と、右辺第３項の重力項と、右辺第４項の表面張力項とを求め、次のステップＳ３に移る。なお、本運動解析は上記の（２１）式の右辺を同時に求めず、ステップＳ２とＳ７に分離して求める解法であるため、上記の（２１）式における右辺第１項の勾配圧力項はＳ７において求める。

ステップＳ３において、運動解析部５０は、構造解析として、筋粒子ｉに加わる弾性力ｆ_{ｉ,ｅｌａｓｔｉｃ}を上記の（８）式に基づき算出し、筋粒子ｉに加わる人工ポテンシャル力ｆ_{ｉ,ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ}を上記の（１６）式に基づき算出し、筋粒子ｉに加わる粘性力ｆ_{ｉ,ｖｉｓｃｏｕｓ}を上記の（１８）式に基づき算出して、次にステップＳ４に移る。

ここで、本実施形態では、筋粒子ｉに加わる弾性力ｆ_{ｉ,ｅｌａｓｔｉｃ}を算出する際に、上記の（９）式に基づいて受動的応力Ｓ_{ｐａｓｓｉｖｅ}と、筋線維方向に基づく能動的な収縮応力である能動的収縮応力Ｓ_{ａｃｔｉｖｅ}とが筋粒子ｉに反映させることでき、擬似経口摂取品１００の嚥下時における頭頸部器官の筋粒子ｉの運動を従来よりも一段と正確に再現することができる。

ステップＳ４において、運動解析部５０は、接触解析として、筋粒子ｉに加わる接触力ｆ_{ｉ,ｃｏｎｔａｃｔ}を上記の（１９）式及び（２０）式に基づき算出し、次のステップＳ５に移る。

ステップＳ５において、運動解析部５０は、筋粒子ｉに加わる弾性力ｆ_{ｉ,ｅｌａｓｔｉｃ}と、筋粒子ｉに加わる人工ポテンシャル力ｆ_{ｉ,ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ}と、筋粒子ｉに加わる粘性力ｆ_{ｉ,ｖｉｓｃｏｕｓ}と、筋粒子ｉに加わる接触力ｆ_{ｉ,ｃｏｎｔａｃｔ}と、さらに、筋粒子ｉに加わる擬似経口摂取品１００からの流体力ｆ_{ｉ,ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ}のうち（２１）式の右辺第２項の粘性項と、右辺第３項の重力項と、右辺第４項の表面張力項と、から、上記の（４）式を基に筋粒子ｉの仮の加速度∂ｖ_ｉ／∂ｔ´を算出し、得られた算出結果から筋粒子ｉの仮の位置ｒ´と速度ｖ´とを求め、次のステップＳ６に移る。

ステップＳ６において、運動解析部５０は、仮の位置ｒ´を利用して上記の（２２）式から圧力Ｐ_ｉを求め、次のステップＳ７に移る。ステップＳ７において、運動解析部５０は、ステップＳ６で求めた圧力Ｐ_ｉ及び上記の（２３）式を用いて、上記の（２１）式における右辺第１項の勾配圧力項を求め、次のステップＳ８に移る。

これにより、運動解析部５０は、ステップＳ７で上記の（２１）式における右辺第１項の勾配圧力項を用いることで、上記の（２１）式で表された、筋粒子ｉに加わる擬似経口摂取品１００からの流体力ｆ_{ｉ,ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ}を求めることができる。

ステップＳ８において、運動解析部５０は、剛体計算として、筋粒子ｉに加わる弾性力ｆ_{ｉ,ｅｌａｓｔｉｃ}と、筋粒子ｉに加わる人工ポテンシャル力ｆ_{ｉ,ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ}と、筋粒子ｉに加わる粘性力ｆ_{ｉ,ｖｉｓｃｏｕｓ}と、筋粒子ｉに加わる接触力ｆ_{ｉ,ｃｏｎｔａｃｔ}と、筋粒子ｉに加わる擬似経口摂取品１００からの流体力ｆ_{ｉ,ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ}とを用い、上記の（４）式から筋粒子ｉの加速度∂ｖ_ｉ／∂ｔを算出し、次のステップＳ９に移る。

ステップＳ９において、運動解析部５０は、上記の（４）式から算出した筋粒子ｉの加速度∂ｖ_ｉ／∂ｔを基に、筋粒子ｉの位置ｒ^ｔ´と速度ｖ^ｔ´を算出し、ステップＳ５で算出した仮の位置ｒ´と速度ｖ´とを、このステップＳ９で算出した位置ｒ^ｔ´と速度ｖ^ｔ´とに修正して、次のステップＳ１０に移る。

ステップＳ１０において、運動解析部５０は、タイムステップｔを進めｔ＝ｔ＋１として再びステップＳ１に戻り、上述した処理を行い、次の時刻であるタイムステップ（ｔ＋１）のときの筋粒子ｉの位置ｒ^ｔ＋１´と速度ｖ^ｔ＋１´とを求める。このようにして、嚥下シミュレーション装置１では、動的三次元頭頸部モデル１０ａにおける各頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品１００の嚥下に係る挙動とを、粒子法を用いて三次元画像内で解析することができ、動的三次元頭頸部モデル１０ａにおける嚥下の様子を表示部４の表示画面に動画像として提示できる。

（７）＜検証結果＞
次に、比較例として、筋線維方向への収縮応力を規定した筋粒子を設けずに、強制移動粒子を設けて粒子法による嚥下シミュレーションを行える動的三次元頭頸部モデルを作製した。そして、強制移動粒子に加えて、筋線維方向に収縮応力により移動する筋粒子を設けた、本実施形態の動的三次元頭頸部モデル１０ａと、比較例の動的三次元頭頸部モデルとについて、同じ擬似経口摂取品１００を嚥下させる嚥下シミュレーションを行い、その動作の違いについて確認した。

ここで、図２６の左側は、本実施形態における動的三次元頭頸部モデル１０ａ１，１０ａ２を示しており、左上側に嚥下開始から１．５８３Ｓ後の動的三次元頭頸部モデル１０ａ１を示し、左下側に嚥下開始から１．８００Ｓ後の動的三次元頭頸部モデル１０ａ２を示している。

一方、図２６の右側は、比較例の動的三次元頭頸部モデル１０ｆ１，１０ｆ２を示しており、右上側に嚥下開始から１．５８３Ｓ後の動的三次元頭頸部モデル１０ｆ１を示し、右下側に嚥下開始から１．８００Ｓ後の動的三次元頭頸部モデル１０ｆ２を示している。

図２６から、強制移動粒子に加えて、筋線維方向に収縮応力で移動する筋粒子を設けた本実施形態の動的三次元頭頸部モデル１０ａ１，１０ａ２と、比較例の動的三次元頭頸部モデル１０ｆ１，１０ｆ２とでは、咽頭部１４の壁面の運動に違いが確認され、これに伴い擬似経口摂取品１００の流れ方にも違いが生じることが確認できた。

また、図２７、図２８及び図２９に示すように、本実施形態の動的三次元頭頸部モデル１０ａにおいて、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａの中間辺りの高さＺ１の位置で水平断面をとり、この水平断面で粒子表示させた動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの形状変化を確認した。ここでは、図２７、図２８及び図２９の中央には、動的三次元頭頸部モデル１０ａを粒子で表示させた動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃについて、高さＺ１で粒子表示させた水平断面構成を示す。

図２７、図２８及び図２９の右側には、比較例として、強制移動粒子により動作する動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｇについて、高さＺ１で粒子表示させた水平断面構成を示す。

図２７は、嚥下開始から１．４５Ｓ後の状態を示し、図２８は、嚥下開始から１．６２Ｓ後の状態を示し、図２９は、嚥下開始から１．７７Ｓ後の状態を示したものである。本実施形態の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃでは、図２７、図２８及び図２９に示すような一連の動作から、咽頭表面１４ｊの壁面長さ（周長）が短縮し、咽頭後壁の隆起も生じ、咽頭表面１４ｊ自体が筋として能動的に収縮するような動作を実現できていることが分かった。

一方、比較例である動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｇでは、咽頭部１４の板状に配置させた強制移動粒子１９を強制移動させて咽頭表面１４ｊを押し潰すように動作し、咽頭表面１４ｊの壁面長さ（周長）が短縮しておらず、自然な嚥下動作が再現されていなかった。

次に、図３０及び図３１に示すように、本実施形態の動的三次元頭頸部モデル１０ａにおいて、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇ辺りの高さＺ２の位置で水平断面をとり、この水平断面で粒子表示させた動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの形状変化を確認した。なお、１１ｂは甲状軟骨である。図３０は、嚥下開始から１．５７Ｓ後の状態を示し、図３１は、嚥下開始から１．８８Ｓ後の状態を示したものである。本実施形態の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃでは、図３０及び図３１に示すような一連の動作から、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇでも壁面長さ（周長）が短縮し、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇ自体が筋として能動的に収縮するような動作を実現できていることが分かった。

次に、被験者の嚥下動作を撮像したＶＦ画像と、粒子１つ１つは表示せずに頭頸部器官の表面形状を表示した本実施形態の動的三次元頭頸部モデル１０ａと、粒子１つ１つを表示した本実施形態の動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃとについて嚥下の動作を対比した。この場合、ＶＦ画像は、造影剤を添加した水５ｍｌを経口摂取品１００ｃとして被験者に嚥下させたときのＶＦ画像である。

なお、動的三次元頭頸部モデル１０ａは、マーチングキューブ法により動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃから作製した。図３２の上段には、嚥下開始から１．５０Ｓ後の様子を撮像したＶＦ画像ＩＭ１と、嚥下開始から１．５８Ｓ後の様子を撮像したＶＦ画像ＩＭ２とを示す。また、図３３の上段には、嚥下開始から１．６５Ｓ後の様子を撮像したＶＦ画像ＩＭ３と、嚥下開始から１．７５Ｓ後の様子を撮像したＶＦ画像ＩＭ４とを示す。

図３２の中段には、嚥下開始から１．５０Ｓ後の様子を示した動的三次元頭頸部モデル１０ａ５と、嚥下開始から１．５８Ｓ後の様子を示した動的三次元頭頸部モデル１０ａ６とを示す。また、図３３の中段には、嚥下開始から１．６５Ｓ後の様子を示した動的三次元頭頸部モデル１０ａ７と、嚥下開始から１．７５Ｓ後の様子を示した動的三次元頭頸部モデル１０ａ８とを示す。

図３２の下段には、嚥下開始から１．５０Ｓ後の様子を示した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ５と、嚥下開始から１．５８Ｓ後の様子を示した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ６とを示す。また、図３３の下段には、嚥下開始から１．６５Ｓ後の様子を示した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ７と、嚥下開始から１．７５Ｓ後の様子を示した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ８とを示す。

図３２及び図３３に示した、動的三次元頭頸部モデル１０ａ５，１０ａ６，１０ａ７と、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ５，１０ｃ６，１０ｃ７とから、解析開始時に舌上にあった擬似経口摂取品１００は舌の進行波的波動運動によって咽頭部に送られること、このとき、上咽頭収縮筋の収縮により喉頭蓋谷の空間が狭くなっていること、擬似経口摂取品１００が梨状窩に流入していること、が再現できていることを確認した。

また、図３３に示した、動的三次元頭頸部モデル１０ａ７，１０ａ８と、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃ７，１０ｃ８とでは、その後に、擬似経口摂取品１００を咽頭から食道に送る際は、咽頭収縮筋を順に収縮させることで、咽頭部の壁面の長さを短縮しながら、咽頭部側壁を中央へ、咽頭部後壁を前方へそれぞれ移動させながら、中咽頭収縮筋が閉鎖するような動作が再現できることを確認した。

（８）＜作用及び効果＞
以上の構成において、嚥下シミュレーション装置１では、複数の粒子によって三次元画像でモデル化した複数の頭頸部器官を作製し、複数の頭頸部器官からなる動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃを三次元画像により作製し（頭頸部モデリングステップ）、この動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃにおける複数の頭頸部器官の運動を設定する（器官運動設定ステップ）。

この際、嚥下シミュレーション装置１は、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの複数の粒子のうち、擬似経口摂取品１００の嚥下時に頭頸部器官で強制的に移動する粒子を強制移動粒子とし、嚥下時における強制移動粒子の運動を設定する（強制運動設定ステップ）。また、嚥下シミュレーション装置１は、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃの複数の粒子のうち、医学的知見に基づき頭頸部器官の収縮筋ごとに三次元画像内で筋線維方向を特定し、かつ筋線維方向に基づく収縮応力が与えられる粒子を筋粒子とし、嚥下時における筋粒子の運動を設定する（筋収縮運動設定ステップ）。

嚥下シミュレーション装置１では、運動解析部５０によって、擬似経口摂取品１００を動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃで嚥下させたときの頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品１００の嚥下時の挙動と、を粒子法に基づいて三次元画像で解析する（運動解析ステップ）。

そして、嚥下シミュレーション装置１は、運動解析部５０により三次元画像で解析された、擬似経口摂取品１００の嚥下時の頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品１００の嚥下時の挙動との解析結果を、動画像で表示する（表示ステップ）。

なお、本実施形態では、複数の粒子によって三次元画像でモデル化した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃから、マーチングキューブ法などにより各頭頸部器官の表面形状を作製し、粒子１つ１つが表示されずに頭頸部器官の表面形状のみが表示される動的三次元頭頸部モデル１０ａする。そして、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃによる擬似経口摂取品１００の嚥下時の頭頸部器官の運動と、擬似経口摂取品１００の嚥下時の挙動との解析結果を、表面表示の動的三次元頭頸部モデル１０ａにより動画像で表示する。

このように、嚥下シミュレーション装置１では、頭頸部器官を粒子で作製し、所定の粒子を強制移動粒子と筋粒子とし、収縮筋ごとに筋線維方向に基づく収縮応力を筋粒子に与えるように設定したことで、擬似経口摂取品１００の嚥下時における頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品１００の挙動などを従来よりも一段と正確に再現することができる。

また、本実施形態では、頭頸部器官の収縮筋の筋種ｍごとに設定した活性化レベルα_ｍの時間的変化を反映させて、粒子法により、動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃによる擬似経口摂取品１００の嚥下時における筋粒子ｉの運動を、三次元画像で解析するようにした。これにより、嚥下シミュレーション装置１では、嚥下時における時間経過に応じて活発的に動く収縮筋を再現することができ、擬似経口摂取品１００の嚥下時における頭頸部器官の運動や、擬似経口摂取品１００の挙動などを従来よりも一段と正確に再現することができる。

（９）＜他の実施形態＞
上述した実施形態においては、嚥下障害者又は健常者の頭頸部器官を再現した動的三次元頭頸部粒子モデル１０ｃを三次元画像により形成する他にも、例えば、乳幼児又は高齢者等の頭頸部器官を再現した動的三次元頭頸部粒子モデルを三次元画像により形成してもよい。

また、上述した実施形態においては、粒子法として、本実施形態で採用したＭＰＳ法以外に、ＳＰＨ（Smoothed Particle Hydrodynamics）法などを適用してもよい。

また、上述した実施形態においては、上記に（１１）式の演算式を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らない。例えば、上記の（１１）式の演算式における補正係数ｆ_ｌは常に１としてもよい。また、例えば、筋線維長の変化速度に応じた補正係数ｆｖを、上記の（１１）式の演算式にさらに掛け算で追加してもよい。

また、上述した実施形態においては、咽頭部１４における収縮筋を、上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈの８つに分けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、上咽頭収縮筋と中咽頭収縮筋と下咽頭収縮筋とに少なくとも分けられていればよい。上咽頭収縮筋と中咽頭収縮筋と下咽頭収縮筋とに分けた場合には、上咽頭収縮筋と中咽頭収縮筋と下咽頭収縮筋とにそれぞれ異なる筋線維方向が設定されるとともに、活性化レベルが設定される。

なお、上述した実施形態においては、筋粒子を設定する頭頸部器官の具体的な収縮筋として、咽頭部１４にある上咽頭収縮筋舌咽頭部１４ａと、中咽頭収縮筋小角咽頭上部１４ｂと、中咽頭収縮筋小角咽頭下部１４ｃと、中咽頭収縮筋大角咽頭上部１４ｄと、中咽頭収縮筋大角咽頭下部１４ｅと、下咽頭収縮筋甲状咽頭上部１４ｆと、下咽頭収縮筋甲状咽頭下部１４ｇと、下咽頭収縮筋輪状咽頭部１４ｈとについて例を挙げて説明したが、本発明はこれに限らない。動的三次元頭頸部粒子モデルにおいて、頭頸部器官の収縮筋として、例えば、その他、咽頭挙筋群や、舌筋、軟口蓋の筋、舌骨上筋群、舌骨下筋群、喉頭の筋、等に筋粒子を設定し、嚥下時に、三次元画像内で特定した筋線維方向に基づいて収縮応力により当該筋粒子を運動させるようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、受動的応力Ｓ_{ｐａｓｓｉｖｅ}として、等方性材料であるムーニー・リブリン体の超弾性体での応力算出の方法を利用し、上記の（１０）式に基づいて受動的応力Ｓ_{ｐａｓｓｉｖｅ}を求める場合について述べたが、本発明はこれに限らない。他の受動的応力Ｓ_{ｐａｓｓｉｖｅ}の算出方法としては、例えば、ムーニー・リブリン体の代わりにオグデン（Ｏｇｄｅｎ）体という超弾性体構成則を適用したり、或いは、等方性材料の構成則だけでなく、筋線維による異方性材料の構成則を適用することもできる。

１嚥下シミュレーション装置
４表示部
１０ａ動的三次元頭頸部モデル
１０ｃ動的三次元頭頸部粒子モデル
１０頭頸部モデリング部
３０器官運動設定部
３１強制運動設定部
３２筋収縮運動設定部
５０運動解析部

Claims

複数の粒子によって三次元画像でモデル化した複数の頭頸部器官を作製し、前記複数の頭頸部器官からなる動的三次元頭頸部粒子モデルを前記三次元画像により作製する頭頸部モデリング部と、
前記動的三次元頭頸部粒子モデルにおける前記複数の頭頸部器官の運動を設定する器官運動設定部と、
経口摂取品を複数の粒子によって前記三次元画像でモデル化した擬似経口摂取品を、前記動的三次元頭頸部粒子モデルで嚥下させたときの前記頭頸部器官の運動と、前記擬似経口摂取品の嚥下時の挙動と、を粒子法に基づいて前記三次元画像で解析する運動解析部と、
前記運動解析部により前記三次元画像で解析された、前記擬似経口摂取品の嚥下時の前記頭頸部器官の運動と、前記擬似経口摂取品の嚥下時の挙動との解析結果を、動画像で表示する表示部と、
を備え、
前記器官運動設定部は、
前記動的三次元頭頸部粒子モデルの前記複数の粒子のうち、前記擬似経口摂取品の嚥下時に前記頭頸部器官で強制的に移動する粒子を強制移動粒子とし、前記嚥下時における前記強制移動粒子の運動を設定する強制運動設定部と、
前記動的三次元頭頸部粒子モデルの前記複数の粒子のうち、前記頭頸部器官の収縮筋ごとに前記三次元画像内で筋線維方向が特定され、かつ前記筋線維方向に基づく収縮応力が与えられる粒子を筋粒子とし、前記嚥下時における前記筋粒子の運動を設定する筋収縮運動設定部と、
を備える、嚥下シミュレーション装置。
前記筋収縮運動設定部は、
前記筋線維方向に基づく前記収縮応力には、前記筋線維方向に基づく能動的な収縮応力である能動的収縮応力が設定されている、
請求項１に記載の嚥下シミュレーション装置。
前記筋収縮運動設定部は、
前記筋線維方向に基づく前記収縮応力には、他の筋粒子及び前記強制移動粒子の移動により受ける受動的な応力である受動的応力が設定されている、
請求項２に記載の嚥下シミュレーション装置。
前記筋収縮運動設定部は、
前記動的三次元頭頸部粒子モデルによる前記擬似経口摂取品の嚥下時に、前記頭頸部器官の前記収縮筋の筋種ごとに前記筋粒子に与えられる前記収縮応力の時間的変化を、活性化レベルとして設定し、
前記運動解析部は、
前記頭頸部器官の前記収縮筋の筋種ごとに設定した前記活性化レベルの時間的変化を反映させて、前記粒子法により、前記動的三次元頭頸部粒子モデルによる前記擬似経口摂取品の嚥下時における前記筋粒子の運動を、前記三次元画像で解析する、
請求項１～３のいずれか１項に記載の嚥下シミュレーション装置。
前記筋収縮運動設定部は、
前記頭頸部器官における前記収縮筋が、少なくとも上咽頭収縮筋と中咽頭収縮筋と下咽頭収縮筋とに分けられている、
請求項１～４のいずれか１項に記載の嚥下シミュレーション装置。
前記運動解析部は、
前記粒子法により前記筋粒子に加わる弾性力と、前記筋粒子に加わる人工ポテンシャル力と、前記筋粒子に加わる粘性力と、他の粒子と接触した際に粒子に加わる接触力と、前記筋粒子に加わる前記擬似経口摂取品からの流体力とを解析し、
前記弾性力を解析する際に、前記筋粒子への前記収縮応力の付与として、下記の（１）式で表す第２ピオラ-キルヒホッフ（Piola-Kirchhoff）応力テンソルを含めて解析する、
請求項１に記載の嚥下シミュレーション装置。

Ｓ_{ｐａｓｓｉｖｅ}は、他の筋粒子及び前記強制移動粒子の移動により受ける受動的な応力である受動的応力を表し、Ｓ_{ａｃｔｉｖｅ}は、前記筋線維方向に基づく能動的な収縮応力である能動的収縮応力を表す。
能動的収縮応力Ｓ_{ａｃｔｉｖｅ}は、
前記動的三次元頭頸部粒子モデルによる前記擬似経口摂取品の嚥下時に、前記頭頸部器官の筋種ｍにおける筋粒子ｉの前記収縮応力の時間的変化を示す活性化レベルα_ｍと、
筋種ｍの筋粒子ｉに設定した初期時刻０の筋線維方向ａ^０ _ｉ，ｍと、
を含んだ演算式により算出される、
請求項６に記載の嚥下シミュレーション装置。
所定の筋粒子ｉにおけるＳ_{ａｃｔｉｖｅ}を示すＳ_{ｉ，ａｃｔｉｖｅ}は、下記の（２）式で表される、
請求項６に記載の嚥下シミュレーション装置。

Ｓ_ｉ，ｍは、下記の（３）式で表される。添え字のｉは、筋粒子ｉを識別する識別子、添え字のｍは、前記頭頸部器官の筋種ごとに規定された識別子である。

α_ｍは、前記動的三次元頭頸部粒子モデルによる前記擬似経口摂取品の嚥下時に、前記頭頸部器官の筋種ｍにおける筋粒子ｉの前記収縮応力の時間的変化を示す活性化レベルである。
ｆ_ｍａｘは、活性化レベルα_ｍが最大値のときの最大の能動的収縮応力、ｆ_ｌは、現在時刻における筋線維長の基づく能動的収縮応力の補正係数、ａ^０ _ｉ，ｍは、筋種ｍの筋粒子ｉに設定した初期時刻０の筋線維方向を示す。
複数の粒子によって三次元画像でモデル化した複数の頭頸部器官を作製し、前記複数の頭頸部器官からなる動的三次元頭頸部粒子モデルを前記三次元画像により作製する頭頸部モデリングステップと、
前記動的三次元頭頸部粒子モデルにおける前記複数の頭頸部器官の運動を設定する器官運動設定ステップと、
経口摂取品を複数の粒子によって前記三次元画像でモデル化した擬似経口摂取品を、前記動的三次元頭頸部粒子モデルで嚥下させたときの前記頭頸部器官の運動と、前記擬似経口摂取品の嚥下時の挙動と、を粒子法に基づいて前記三次元画像で解析する運動解析ステップと、
前記運動解析ステップにより前記三次元画像で解析された、前記擬似経口摂取品の嚥下時の前記頭頸部器官の運動と、前記擬似経口摂取品の嚥下時の挙動との解析結果を、動画像で表示する表示ステップと、
を備え、
前記器官運動設定ステップは、
前記動的三次元頭頸部粒子モデルの前記複数の粒子のうち、前記擬似経口摂取品の嚥下時に前記頭頸部器官で強制的に移動する粒子を強制移動粒子とし、前記嚥下時における前記強制移動粒子の運動を設定する強制運動設定ステップと、
前記動的三次元頭頸部粒子モデルの前記複数の粒子のうち、前記頭頸部器官の収縮筋ごとに前記三次元画像内で筋線維方向が特定され、かつ前記筋線維方向に基づく収縮応力が与えられる粒子を筋粒子とし、前記嚥下時における前記筋粒子の運動を設定する筋収縮運動設定ステップと、
を備える、嚥下シミュレーション方法。