2021 Fiscal Year Research-status Report
圧力波を利用した刺激に対する非線形粘弾性応答に関する研究
| Project/Area Number |
21K12627
|
|---|
| Research Institution | Saga University |
|---|
Principal Investigator |
橋本 時忠 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (90392860)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
住 隆博 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (30358668)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 圧力波 / 球形気泡振動 / 粘弾性 / 物性推定 / 逆問題解析 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
圧力波として刺激を生体組織に適切に与えれば治療法として利用できる一方で，損傷として現れる可能性があるため，圧力波刺激に対する細胞の応答を十分に理解する必要がある．その応答は軟組織の粘弾性が深く関与していると推測されるので，その瞬間的な粘弾性特性を調べることが有効であるが，衝撃波負荷に伴う現象は非線形変形を示し，ひずみ速度が大きいため既存の粘弾性測定装置（レオメーター等）では計測不可能である．従って軟組織への刺激に対する応答と粘弾性特性の関係について理解を深めるために，粘弾性物体中に衝撃波やレーザー照射による瞬間的に強い刺激を与えた際に発生するキャビテーションなどの気泡を実験的に光学計測して振動プロファイルを得たのち，粘弾性を考慮したRayleigh and Plesset (RM) あるいはKeller and Miksis (KM) 方程式を用いた数値計算を逆問題的にフィッティングさせて非接触的に粘弾性特性を推定する手法を用いて粘弾性特性を計測した．本研究では，模擬生体として使用される粘弾性物体を用いてレオメーターで測定できないひずみ速度領域（102 /s以上）から衝撃波治療や交通事故等で生じる高ひずみ速度領域（10^6 - 10^8 /s以上）の広範囲に渡るひずみ速度領域での粘弾性特性を目指すものである．
本研究では単一気泡を設置した粘弾性物体を水中に静止させ、水中で発生させた比較的弱い衝撃波が伝播するときに発生する気泡振動プロファイルを取得して、粘弾性及び圧縮性を考慮したKeller and Miksis (KM) 方程式を用いた逆問題解析により10^3 /s程度のひずみ速度領域における粘弾性特性の取得に成功した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度の実施計画では圧力波発生装置について重点的に実施する予定であったが、発生源として予定していたQ-switch Nd:YAGレーザーが価格の上昇と物資不足等の理由により入手困難であったことから、高圧放電装置へ変更することになった。しかし、本研究で必要となる40kV高圧電源に関しても、構成する各部品が半導体不足等の物資不足により入手困難であることがわかり、製作に時間がかかることがわかった。そのため2022年度実施予定であった単一気泡を設置した模擬生体を水中に置き、気泡に向けて圧力波（衝撃波）を照射すると発生する気泡振動を高速度カメラにより可視化する実験について前倒しで実施した。レーザー誘起衝撃波(LISW)では得られた衝撃波が弱かったため、水中にレーザーを集束させて衝撃波を発生させ、模擬生体内に伝播させた。気泡振動の挙動は高い時間分解能と空間分解能を有する高速度カメラをレンタルして可視化した。それらの結果は画像処理を通して正規化され、逆解析を実施するのに良好な数周期程度の線形気泡振動プロファイルが得られた。最大ひずみ速度は約5.4 ×10^3/sであった。この実験的に得られたプロファイルに対してKeller-Miksis 方程式を使用した逆問題解析を実行した結果、10^3/sオーダーのひずみ速度域における粘弾性体の物性値を推定することができた．その結果からは粘性係数はひずみ速度が大きくなるにつれて指数関数的に増加していることがわかった．一方で，本研究で得られた剛性率は静的粘弾性計測により得られたものと近い値を示したが，それ以上になると急激に剛性率が減少することが示唆される非常に興味深い傾向を示した。
計画は前後したものの、興味深いデータを取得出来たことから、現時点で順調に進展していると判断した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究ではレオメーターでは取得できない広範囲のひずみ速度領域における粘弾性特性の取得と2種類の圧力波による刺激（衝撃波と膨張波）に対する粘弾性特性の効果について検討することが目的であり、そのために気泡振動を利用していることが本研究の特徴である。
これらの目的を達成するため必要となるより強力な圧力波発生装置を整備する。その際ひずみ速度が大きくなるにつれて気泡振動の形態が線形から非線形へと変化することが予想される。実験的には高度な可視化技術とそれに対応できる高速度撮影設備を準備して高精度な実験データの蓄積を目指し、数値計算的には逆問題解析を実施する上で最適な粘弾性モデルの選別とより高度な最適化の自動化等が望まれる。
|
| Causes of Carryover |
理由 上述の通りQ-switch Nd:YAGレーザーが価格上昇と物資不足により入手困難であったことから、高圧放電装置へ変更することになったが構成する各部品が半導体不足等の物資不足により入手困難であることがわかり、製作に時間がかかるため次年度使用額が生じた。
使用計画 高圧放電装置を取得することを最優先とする。
|
