| Project/Area Number |
23K20381
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| Project/Area Number (Other) |
20H04198 (2020-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2020-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 60100:Computational science-related
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
山田 貴博 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (40240022)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
槙山 和秀 横浜市立大学, 医学研究科, 教授 (40347307)
松井 和己 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (00377110)
山本 剛大 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (00802860)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
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| Keywords | 生体力学 / 人体幹 / 数値シミュレーション / 内蔵組織 / メタモデリング / 生体組織 / 妥当性確認 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究課題では，コンピュータによって支援された安全かつ高度な外科手術(Computer Aided Surgery)に資する技術として，腹腔鏡下・ロボット補助下の手術における患者個別シミュレーション・ナビゲーションシステムの基盤となる臨床応用可能な高精度かつ高速な骨格系を含めた体幹内組織全体の力学モデル化とそのシミュレーション技術を開発する．提案する力学モデルについては，力学応答を非侵襲に計測する手法を開発し，被験者を用いた実験による妥当性確認を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は，コンピュータによって支援された安全かつ高度な外科手術(Computer Aided Surgery)に資する技術として，内視鏡下・ロボット補助下の手術における患者個別シミュレーション・ナビゲーションシステムの基盤となる臨床応用可能な高精度かつ高速な骨格系を含めた体幹内組織全体の力学モデルの構築とそのシミュレーション技術の開発である．
本研究課題では，体幹の力学モデルにおける基礎データである内蔵等の材料物性の計測を行う．ここでは，手術直後の摘出臓器に対して，載荷点を変更しながら押し込み載荷を複数回実施し，計測された応答変位と臓器モデルの有限要素解析の計算結果を比較する逆解析手法により物性同定を行う手法を開発する．令和４年度は令和３年度までの研究課題によって開発された装置に対して生体組織に近い剛性を持つウレタン樹脂で作成した模擬臓器を用いて実験手法の妥当性確認を行い，計測方法を含めた実験のプロトコル作成を行った．また，模擬臓器に対する有限要素モデルに対する適切な境界条件の設定と非線形挙動の要因分析を行い，逆解析で同定する力学的パラメータの精度評価を行った．
本研究課題では，体幹全体の力学モデルの高精度なシミュレーション結果を高速に得る方法として，メタモデリング技術と高速な有限要素解析手法の両面から研究を進めた．メタモデリング技術を開発するために必要となる体幹全体の力学挙動を表現する計算モデルについては，令和４年度は自動車衝突シミュレーションのために開発された人体の力学モデルであるTHUMSの標準モデルとしての適用可能性を検討した．また，高速な有限要素解析手法として，令和３年度から検討を行っている圧力安定化１次４面体要素について，自由振動の固有値解析において厳密解と数値解を比較することで安定化パラメータを決定する手法を開発し，最適な安定化パラメータを求めた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では，１．骨格系を考慮した高精度な体幹の力学モデルの作成手法，２．機械学習を用いた体幹全体の力学モデルに対するメタモデリング技術，３．力学モデルの妥当性確認のための非侵襲な体幹の力学応答の計測技術の３つの技術的課題を設定し，研究を進めている．
課題１に関しては，人体幹の力学モデルは標準的な幾何学的モデルとして，自動車衝突シミュレーション用人体モデルTHUMSを適用した手法の検討を開始した．力学的な観点からは骨格系の個人差の影響は大きくないと考えており，THUMSを骨格系を考慮するための標準モデルとし，医用画像から構築する患者固有モデルと組み合わせることで，詳細かつ高精度なモデル化を行う技術を開発する予定である．また，軟組織に対する有限要素解析手法として，圧力安定化四面体１次要素と新しい分離型時間積分の特性が確認できたことから，今後は膜との接触を考慮する手法等の開発を進めていく．全体としてはおおむね順調な進捗と言える．
一方，課題２に対しては，詳細な有限要素解析と組み合わせることを考えると，機械学習だけではなく，他の低次元化モデル作成手法も検討し，メタモデリングとする必要があるとの認識に至っている．したがって，この技術課題については当初計画通りではなく，遅れも生じているが，研究自体はより高度な方向に進んでいると考えている．
課題３については，令和３年度までの研究課題の成果を引き継ぎ研究を進め，当初の到達目標である実際の臓器に対する実験を成功させるための最終的な確認を行っている状態であると考える．一方，人体幹全体に対する計測技術については，予備的な検討にとどまっており，当初予定より遅れている．
以上から，本研究課題全体に対する総合的な進捗の評価としては，現在までおおむね順調に進展していると判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の目的である高精度かつ高速な骨格系を含めた体幹内組織全体の力学モデルの構築とそのシミュレーション技術の開発に向けて，進捗状況で示した３つの研究課題に対して令和５年度以降の推進方策を考える．
課題１については，膜組織のモデル化手法および臓器等との接触を考慮するロバストな計算手法の開発が急務と考えており，令和５度の優先課題として取り組む予定である．また，幾何学モデルの生成については，自動車衝突シミュレーション用人体モデルTHUMSを骨格系を考慮した標準モデルとし，医用画像から生成する患者固有モデルと組み合わせる技術を開発する．また，医用画像から膜組織を含むモデルを生成する技術についても引き続き検討する．
課題２については，３次元連続体の詳細な有限要素モデルと組み合わせるための技術として，低次元化モデルの手法に基づくメタモデリング技術の研究を進める．
課題３については，令和５年度において摘出直後の腎臓に対して実際に材料物性同定実験を実施し，力学的パラメータを取得する．また，人体幹全体の力学応答に対する計測技術手法の開発について，載荷方法，荷重の計測方法，非侵襲な変形の計測方法について数値シミュレーションを用いた検討を進める．
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