Shape Optimization of Cartilage Plates for Tympanic Membrane Reconstruction to Improve Quality of Life

2024 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03820
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18030:Design engineering-related
• Research Institution: The University of Shiga Prefecture
• Principal Investigator: WU Zhiqiang 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (10274333)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 形状最適化 / 鼓膜穿孔 / 鼓膜再建 / 聴覚特性 / モード解析 / 有限要素解析 / 最適設計

Outline of Final Research Achievements

This study developed a numerical method to optimize the thickness distribution of cartilage grafts used in tympanic membrane repair. A finite element model of the middle ear was constructed, and auditory performance in large-area repairs was analyzed. The results revealed that differences in material properties between cartilage and the native membrane cause reduced natural frequencies and degraded frequency response. To address this, shape optimization techniques were applied to maximize natural frequencies and improve broadband vibration response. An efficient optimization method considering viscoelastic damping was also proposed, enabling designs that better reproduce healthy auditory characteristics. The proposed approach has potential applications not only in tympanic membrane reconstruction but also in the optimal design of structures incorporating viscoelastic materials.

Free Research Field

計算力学、医工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、鼓膜修復における聴覚特性の改善を目的として、軟骨片の形状を数理的に最適化する手法を確立した点で、学術的意義が高い。医学的な観点から従来は均一板厚で用いられた修復材に対し、最適設計を導入することで、より生理的な機能回復が可能であることを示した。また、提案手法は手術の個別最適化を支援し、術後の聴力回復やQOL向上に寄与することから、超高齢社会を迎える中での医療の質向上にもつながる社会的意義を有する。さらに、運動方程式が非連成化できない場合においてもモーダル法を活用可能とする効率的な形状最適化手法を提案したことで、粘弾性減衰を有する構造を対象とした高速な最適設計に貢献できる。