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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Advancement of Numerical Simulation of Deformed Human Abdominal Organs for Computer Aided Surgery

Research Project

Project/Area Number 16H03914
Research InstitutionYokohama National University

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)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松井 和己  横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (00377110)
槙山 和秀  横浜市立大学, 医学部, 准教授 (40347307)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2020-03-31
Keywordsバイオメカニクス / 手術支援 / 力学モデル / 人腹腔 / 生体物性計測 / 計算力学 / 有限要素法 / 機械学習
Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は,より安全な手術の施行に資するものとして,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開発を目指し,その基盤となる臨床応用可能な高精度かつ高速な腹腔内組織全体の力学シミュレーション技術を開発することである.
令和元年度の研究においては,平成30年度から取り組んでいる膜組織の幾何学モデルの生成手法の開発を行った.開発した手法では,位相が変化しないフェーズフィールド方程式を用い,解剖学的知見により位相的な幾何構造を再現した標準モデルを初期値とし,発展方程式を解く.このとき,患者固有モデルにおける臓器の位置を用いて方程式のソース項を生成することで,臓器のみで構成される患者固有モデルに膜組織の幾何学情報を追加することが可能となった.
臓器の生体内における力学的特性に近い摘出直後の臓器の物性値を計測するための実験装置と3次元計測方法を平成28,29年度に開発し,その後も載荷装置の剛性や計測機器の精度等を改善するための改良を行ってきた.さらに平成30年度は実験装置の妥当性確認を行うための模擬臓器製作の手順と用いる材料の多軸試験による物性同定の手法を開発した.令和元年度は実験装置および物性同定手法の妥当性確認を行うための模擬臓器製作用の材料の選定と多軸試験による物性同定を実施した.
手術支援を目指した高速な計算アルゴリズムとして,有限要素法による手術シミュレーションに対して,機械学習による力学挙動のメタモデルを生成し,実時間実行においては学習済みニューラルネットワークを用いる手法を平成30年度より開発し,線形問題における基礎的な検討を実施してきた.令和元年度は3次元の大変形問題に適用し,基本的な問題における有効性を示す結果を得た.

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (11 results)

All 2020 2019

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results)

  • [Journal Article] A quadrilateral shell element incorporating thickness‐stretch for nearly incompressible hyperelasticity2020

    • Author(s)
      Yamamoto Takeki、Yamada Takahiro
    • Journal Title

      International Journal for Numerical Methods in Engineering

      Volume: 121 Pages: 2001~2032

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/nme.6296

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Elastic buckling of cylindrical shell under pressure load evaluated on surface2019

    • Author(s)
      YAMAMOTO Takeki、YAMADA Takahiro
    • Journal Title

      Mechanical Engineering Journal

      Volume: 6 Pages: 19-00113

    • DOI

      https://doi.org/10.1299/mej.19-00113

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 一様スプライン直交格子による体積離散化に基づく弾性膜の数値計算2019

    • Author(s)
      山田貴博
    • Organizer
      第24回計算工学講演会
  • [Presentation] 接触問題の近傍問題法による数値的検証2019

    • Author(s)
      山田貴博
    • Organizer
      第24回計算工学講演会
  • [Presentation] 非圧縮変形を考慮したシェル要素の定式化2019

    • Author(s)
      山本剛大,山田貴博,斉木 功
    • Organizer
      第24回計算工学講演会
  • [Presentation] Method of Nearby Problems for Contact Analysis of Solid2019

    • Author(s)
      Takahiro Yamada
    • Organizer
      ASME V&V symposium 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical Verification Procedure for Finite Element Analysis of Contact Problem2019

    • Author(s)
      Takahiro Yamada
    • Organizer
      15th U.S. National Congress on Computational Mechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The Procedure for Identifying Material Parameters of Hyperelasticity by Considering Stress State in the Structure2019

    • Author(s)
      Tomoyuki Iwata, Takahiro Yamada
    • Organizer
      7th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Method of Nearby Problems for Large Deformation Analyses of Nearly Incompressible Hyperelasticity2019

    • Author(s)
      Takahiro Yamada
    • Organizer
      7th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical Procedure for Modeling of Structures with Complex Cross Section by Connecting Shell and Solid Elements2019

    • Author(s)
      Takeki Yamamoto, Takahiro Yamada, Kazumi Matsui
    • Organizer
      7th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 一様スプライン直交格子による弾性膜の大変形解析2019

    • Author(s)
      山田貴博
    • Organizer
      第65回理論応用力学講演会

URL: 

Published: 2021-01-27  

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