2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of hIgh-fidelity Mechanical simulator of the human trunk with internal organs
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20H04198
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Yokohama National University |
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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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
槙山 和秀 横浜市立大学, 医学部, 准教授 (40347307)
松井 和己 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (00377110)
山本 剛大 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (00802860)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 生体力学 / 人体幹 / 数値シミュレーション / 内蔵組織 / メタモデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は，コンピュータによって支援された安全かつ高度な外科手術(Computer Aided Surgery)に資する技術として，内視鏡下・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基盤となる臨床応用可能な高精度かつ高速な骨格系を含めた体幹内組織全体の力学モデルの構築とそのシミュレーション技術の開発である．
本研究課題では，体幹の力学モデルに対する基礎データである内蔵等の材料物性の計測を行う．ここでは，手術直後の摘出臓器に対して，載荷点を変更しながら押し込み載荷を複数回実施し，計測された応答変位と臓器モデルの有限要素解析の計算結果を比較する逆解析手法により物性同定を行う手法を開発する．令和３年度は令和２年度までの研究課題によって開発された装置の大幅な改良を行った．載荷方向を載荷点表面の法線方向とし，載荷プローブ支持部に配置された６分力計により，臓器への荷重を正確に計測することが可能となった．また，変形については多点計測可能なレーザ変位計を用いることで，逆解析のためのデータの量と質を大幅に向上することができた．さらに，臓器を透明なアクリル樹脂の曲面支持台で支持し，支持面への接触状態を画像から検出する装置も導入した．
本研究課題では，体幹全体の力学モデルの高精度なシミュレーション結果を高速に得る方法として，機械学習を用いたメタモデリング技術を開発する．機械学習においては，シミュレーションで得られた結果が教師データとすることから，生体の軟組織の変形をロバストに計算できる計算手法が必須となる．これに対して，令和２年度に開発した新しい分離型時間積分手法を変形による要素歪みに対して比較的頑強な圧力安定化１次４面体要素に適用した．特に，厳密解が計算可能な検証用問題を用いて，最適な安定化パラメータを求めた．
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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
本研究課題では，１．骨格系を考慮した高精度な体幹の力学モデルの作成手法，２．機械学習を用いた体幹全体の力学モデルに対するメタモデリング技術，３．力学モデルの妥当性確認のための非侵襲な体幹の力学応答の計測技術の３つの技術的課題を設定し，研究を進めている．
課題１に関しては，人体幹の力学モデルは幾何学的モデル化を基礎とするが，幾何学的な表現方法は力学モデルに対する数値計算手法に依存する部分が多いため，数値計算手法の研究を先行して進めている．令和３年度までに膜組織等との接触を考慮するために有効な陽的時間積分に基づく有限要素解析手法が開発された．今後は幾何学的モデルの構築手法の開発を中心にすすめていく予定である．全体としてはおおむね順調な進捗と言える．
一方，課題２に対しては，機械学習を用いたメタモデリングの基礎的な技術は令和２年度に確立した．しかしながら，これまでは対象としてはりモデルを用いており，３次元連続体への適用についての十分に検討が進んでいるとは言えない．したがって，この技術課題については当初計画から遅れつつあると認識している．
課題３については，平成２年度までの研究課題の成果を引き継ぎ研究を進めて，摘出後臓器の物性計測についての装置は完成し，当初の到達目標である実際の臓器に対する実験の準備が完了した状態であると考える．一方，人体幹全体に対する計測技術については，予備的な検討にとどまっており，当初予定より遅れている．
以上から，本研究課題全体に対する総合的な進捗の評価としては，現在までおおむね順調に進展していると判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の目的である高精度かつ高速な骨格系を含めた体幹内組織全体の力学モデルの構築とそのシミュレーション技術の開発に向けて，進捗状況で示した３つの研究課題に対して令和３年度以降の推進方策を考える．
課題１については，膜組織のモデル化手法および臓器等との接触を考慮するロバストな計算手法の開発が急務と考えており，令和４年度の優先課題として取り組む予定である．また，並行して，幾何学モデルの生成についての研究を推進し，医療画像から膜組織を含むモデルの生成を目指す．
課題２については，機械学習を用いたメタモデリングの基礎的な技術について，３次元連続体への適用を軸として研究を進める．
課題３については，令和４年度において摘出直後の腎臓に対して実際に材料物性同定実験を実施し，力学的パラメータを取得する．また，人体幹全体の力学応答に対する計測技術手法の開発について，載荷方法，荷重の計測方法，非侵襲な変形の計測方法について数値シミュレーションを用いた検討を進め，令和５年度の実験に備える．
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Research Products
(10 results)
