2019 Fiscal Year Research-status Report
アダプティブ・フォノニック・メタ構造用いた超音波収束システムの基礎設計
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18K04028
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| Research Institution | Jikei University School of Medicine |
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Principal Investigator |
植田 毅 東京慈恵会医科大学, 医学部, 教授 (30251185)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | フォノニックレンズ / 超音波 / アダプティブなフォノニック構造 / トポロジー最適化 / 有限要素解析 / クロスバースイッチ / 音響ホログラフィー / 点状散乱体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１次元共鳴構造モデルを用いて，マイクロ流路内に水と空気を配置することで音響レンズを実現できることを示した。頭蓋骨での反射が少なく実用的とされている500kHzの超音波に対し，２次元のモデルでの解析を行った。脳内の点音源から放射された超音波と遠方から入射した平面波との頭蓋外での干渉パタンから音響FZPを設計し，そのFZPが頭蓋内に十分小さな領域に周辺領域と充分大きなコントラストで超音波を集束することを確認した。他方，トポロジー最適化法を用いて，脳内の要求音場強度が実現するマイクロ流路内の液体金属の配置を決定し，期待される集束を確認した。経頭蓋で脳内に十分な性能で超音波を集束させるFZPを設計した。また，マイクロ流路を用いて音響レンズを実現できることを示した。これらの成果は国際会議２件、国内学会３件の発表を行った。さらに、2020年パリにおいて7月19日～24日に開催されるWCCM ECCOMAS Congress 2020において、FUNDAMENTAL DESIGN OF ADAPTIVE ULTRASONIC LENS - APPLICATION OF FRESNEL ZONE PLATES - と題して発表する。
現在のモデルでは大規模な計算となり、非常に大きな時間的コストが必要である。これを克服するため、点状散乱体を正方格子に配列し、アダプティブに形状を変えられるレンズを新たに考案した。ホログラフィーの方法で初期形状を構成し、散乱体の配置を焦点における場の強度を周囲より大きく、焦点以外の場所の場を０になるように最適化することにより、より短時間で高性能なレンズが設計できることを示した。この成果は6月10日～6月12日に北九州国際会議場で開催される第25回計算工学講演会において、「点状散乱体の配置の最適化によるフネレルレンズ設計」と題して発表する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
計画ではマイクロ流路に液体金属を注入し、フォノニックレンズを作製する予定であったが、マイクロ流路に液体金属を注入することが困難であること、液体金属の液滴の位置制御が難しいことで困難に直面したが、水の中の泡により代替可能であることを明らかにできたことで、水中内のクロスバースイッチにより水泡を発生させることでレンズを構成できることが判明し、研究が進展した。これに基づき、有限要素法を用いて、頭蓋骨を通したフネレルレンズの設計が完了し、その特性解析が順調に進み、より高性能化を目指し構造の改善が進んでいる。
他方、トポロジー最適化では計算が非常に大きくなるため、実用的な波長ではないが、3次元系での形状最適化の集束の改善がみられた。
境界要素法を用いた3次元系のトポロジー最適化は実用的な波長での解析には大きな計算機が必要であるため、よりシンプルなモデルとして、格子状に配置した点状散乱体により構成されたレンズを考案し、実用的な波長でのレンズ機能の確認と形状最適化によるその機能の大幅な改善を実現した。この手法では容易に3次元化が可能で、実用的な計算時間での3次元系の形状最適化への拡張が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
COMSOLによる経頭蓋レンズの設計は順調に機能しているが、さらに脳深部における集束特性を改善するために、レンズ設計領域の厚みを増やし、多層メタマテリアル構造として、設計を試みる。
また、点状散乱体を格子上に配列したレンズではホログラフィックに設計したレンズから構造最適化により特性に大きく改善がみられたことから、集束位置での集束特性の解析、多焦点化による集束性の解析、構造最適化による特性の改善様子を確認する。特に、脳深部、すなわち、レンズから離れた位置での焦点における場の強度の増加の工夫を行う。また、この手法では未だ頭蓋骨の影響を取り入れていないため、頭蓋骨の影響を取り入れてのレンズ設計と構造最適化を行う。同時に、この手法の3次元化と構造最適化の高速化を実現する。
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| Causes of Carryover |
2月末から3月に研究を実行するための人件費に充てる予定であったが、新型コロナウィルスの影響で実行できなくなった。また、2020年度に国際会議WCCM ECCOMAS Congress 2020, metamaterials 2020、及び国内学会、第25回計算工学講演会（北九州市）、計算数理工学シンポジウム2020（松山市）において成果発表予定のであるが、当初予定よりも旅費及び参加費がかさむため、今年度執行していなかった助成金を2020年度に人件費および旅費、学会参加費として使用することとした。
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