2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of 4D hydrodynamic stress field measurement system for specification of stress concentration in cerebral aneurysm
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20K14646
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
武藤 真和 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (30840615)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 脳血管障害 / 偏光計測 / 流体計測 / 圧力計測 / 可視化技術 / 複屈折 / 高分子 / レオロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，脳動脈瘤モデル内の非定常流体応力場を申請者の提案する光弾性法 (課題番号: 19K23483) により可視化し，応力集中部の三次元位置を5 mm未満の精度で特定することを目指す．「1. 位相差と主応力差の校正実験」，「2. 計測対象厚さの補正係数の導出」，「3. 4D流体応力場計測システムの構築」を開発基盤として，最終課題「4. 脳動脈瘤モデルの非定常流体応力場における応力集中部の特定」を達成する．
2021年度では，高速度偏光カメラと粘弾性計測手法CaBER-DoS (Dripping-onto-substrate capillary break-up extensional rheometry)の複合計測システムの高精度化に向けて，一軸伸長する液体高分子の位相差（積算複屈折）・伸長粘度・伸長応力の導出方法を見直した．複屈折計測ではsemi-rigidな高分子（キサンタンガム）とflexibleな高分子（ポリエチレンオキシド）の差異を調査した．その結果，複屈折が高分子鎖の構造変化（高分子鎖が絡まり合うコイル状態から，引き延ばされたストレッチ状態へ遷移する過程）を反映する可能性が示唆された (Muto et al., ICTAM, 2021)．これらは光学応力則（複屈折と流体応力の比例関係）の成立条件の調査に対して有益となる（1と2に対応）．
次に，流動複屈折計測の計測対象を，従来の矩形流路内流動場に加えて，円管内流動場まで拡張した．実験ではセルロースナノクリスタル水溶液を使用し，ガラス製流路壁面の屈折光の影響を抑えるインデックスマッチングを取り入れることで，円管内の流動複屈折場の良好な可視化に成功した (武藤ら，日本混相流学会，2021)．さらに，位相差の計測値に画像再構成技術（逆投影法）を施すことで，流路内任意断面の二次元複屈折分布を取得した（3に対応）．
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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
本研究課題で開発した，高速度偏光カメラとCaBER-DoSの複合計測システムが，高分子鎖の構造変化を調査するためのツールとなることがわかった．一方で，光学応力則の成立には，流動に伴う高分子鎖構造の変形を考慮する必要があるといった新たな課題が顕在化した．
4D流体応力場計測システムの構築に向けて，計測した位相差画像データから三次元流体応力場を構築する必要がある．位相差は光軸奥行き方向の複屈折の積算値であるため，画像再構成手法を活用することで二次元複屈折場の構築に取り組んだ．その結果，円管内流動場における位相差画像を，流路内任意断面の二次元複屈折場に変換することに成功した．
高速度偏光カメラにより計測した方位データと位相差を複合することで，応力ベクトル場（二次主応力差ベクトル場）を算出した．また，流路壁面に垂直に作用する圧縮応力ベクトルと，せん断応力ベクトルとを分解して解析する手法の開発に取り組んだ．この解析では，液体マイクロジェットとゲルの位相差計測に関する学術雑誌 (Miyazaki and Muto et al., Scientific Reports, 2021) (五十嵐, 武藤ら, ながれ, 2022) と同様手順で実施した．流体応力をベクトル場として可視化することは当初予定していなかった．一方で，本研究で対象とする脳動脈瘤は，その破裂因子が圧縮応力とせん断応力のどちらか不明といった背景がある．各種応力ベクトル場（圧縮応力ベクトルとせん断応力ベクトル）を分解して可視化できる本手法は，この研究背景に貢献できる可能性を示している．
以上より，現在までの本研究の進捗状況はおおむね順調に進展していると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
高速度偏光カメラとCaBER-DoSの複合計測システムによる光学応力係数の取得において，光学応力係数がひずみに依存するため，液体高分子のせん断・伸長流動場における構造変化と複屈折強度の関連性を引き続き調査する．
円管内流動場の複屈折計測では任意断面の二次元複屈折画像の取得に成功したが，現状では応力分布の数値計算結果と完全に一致していない．この原因として，セルロースナノクリスタルの構造起因の複屈折が影響している可能性があるため，光学応力則を成立させるためにその影響を排除する必要がある．また，構造起因の複屈折の影響を排除した二次元断面複屈折場に対して画像再構成技術を施すことで，三次元複屈折場を構築する．三次元複屈折場に対して光学応力係数の計測値をかけることで，三次元流体応力場を導出する．
成果は，日本機械学会流体工学部門講演会，日本流体力学会年会，日本実験力学会年次講演会，Lisbon Laserなどの国内外の学会において発表を予定している．また，査読付きジャーナルであるPhysics of Fluids誌およびScientific reports誌などの論文公表を予定している．
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| Causes of Carryover |
当初対面式での開催を予定していた国際・国内学会が全てオンライン化したこと，数編の査読つき学術論文についてオープンアクセス出版費に宛てるつもりであったが審査に時間がかかっていること，などが理由として挙げられる．旅費を含めた国内/国際学会の参加費はそれぞれ7万円/30万円，論文投稿料と英文校閲料を合わせて15万円／編の支払いを見込んでいる．
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