マルチスケール解析による果実内物性値分布のリアルタイム３Dマッピング
| Project/Area Number |
22K14971
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 41040:Agricultural environmental engineering and agricultural information engineering-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
田中 良奈 九州大学, 農学研究院, 助教 (80817263)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 青果物 / X線CT / シミュレーション / ガス拡散 / 物性値分布 / 非破壊計測 |
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| Outline of Research at the Start |
分解能の異なる２種類のX線CT装置を用いて、青果物の細胞組織および果実全体スケールで連続スライス画像を取得し、部位ごと、貯蔵期間ごとの構造特性を明らかにするとともに、３次元立体構造モデルを再構築し、実形状に基づく数値シミュレーションを行うことで、実験的に計測することが難しい微小領域での局所的な物性値を推算し、これをノーマル分解能X線CT装置の解析部に組み込むことより、諸物性値分布の３次元リアルタイム可視化を可能とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、品質劣化の過程で“青果物内部で何が起こっているのか？”を細胞組織レベルで解析・可視化するとともに、青果物内部の諸物性値分布を非破壊的に直接計測可能とすることである。分解能の異なる２つのX線CT装置を用い、微細スケールCT画像より諸物性値の分布や経時変化を明らかにするとともに、これらの諸物性値とCT画像情報を関連付け、個体レベルで画像情報に反映する。すなわち、ノーマル分解能X線CT画像から空隙率や水分、熱伝導率、ガス拡散係数といった諸物性値を個体レベルで、リアルタイムに同時推定できるようにする。そのためのマルチスケール解析フレームワーク作りを行っている。
本研究は、（１）マルチスケールX線CT観察画像の取得および３次元微細構造モデル再構築、（２）微細構造モデルシミュレーションによる局所物性値の推算とCT値との関連付け、（３）青果物内部の物性値分布の可視化の３つの中課題で構成される。まず（１）において、カキ細胞組織の連続CT画像に対して細胞部分と空隙部分を区別し、個々の細胞を分離、楕円近似とエッジ検出により細胞の形状を検出、細胞壁に厚みを与え、ジオメトリ化した。その後（２）において、解析条件を与え、ソルバー（COMSOL Multiphysics 6.0）を用いて細胞壁・細胞膜を考慮したガス移動解析を行い、空隙率とガス拡散係数との関係を定量した。さらに（３）では、解析範囲をカキ果実個体サイズに拡げたモデルを作成し、（２）より推算したガス拡散係数を用いて解析を行った。その結果、果実内部の酸素濃度や果皮抵抗を精度よく予測でき、果実内部の局所的な酸素濃度を予測できることが示された。
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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
本研究は、（１）マルチスケールX線CT観察画像の取得および３次元微細構造モデル再構築、（２）微細構造モデルシミュレーションによる局所物性値の推算とCT値との関連付け、（３）青果物内部の物性値分布の可視化の３つの中課題で構成される。
昨年度は、（１）マルチスケールX線CT観察画像の取得および３次元微細構造モデル再構築、（２）微細構造モデルシミュレーションによる局所物性値の推算とCT値との関連付けを行っており、今年度は（３）青果物内部の物性値分布の可視化まで進んでいる。具体的には、カキ細胞組織の連続CT画像を用いて作成したジオメトリに解析条件を与え、ソルバー（COMSOL Multiphysics 6.0）を用いてガス移動解析を行った。細胞壁・細胞膜の影響を考慮したガス移動解析を行い、空隙率を変数として含むガス拡散係数の最適推算式を検討した。また、解析範囲をカキ果実個体サイズに拡げたモデルも作成し、細胞組織モデルより推算したガス拡散係数を用いて解析を行った。果実個体サイズでは、ガス移動解析における果皮抵抗も考慮する必要があることから、実際のカキ果実内部の酸素濃度を測定し、実測値と計算値を比較によって明らかとした。これにより、果実内部の酸素濃度や果皮抵抗を精度よく予測でき、果実内部の局所的な酸素濃度を予測できることが示された。
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度は引き続き（１）および（２）の研究を遂行しつつ、（３）青果物内部の物性値分布の可視化についての研究を発展させる。2023年度の成果として果実内部の酸素濃度や果皮抵抗を精度よく予測でき、果実内部の局所的な酸素濃度を予測可能とした。これを用いて、青果物の貯蔵環境や包装資材の違いが青果物内部のガス濃度および品質にどう影響するかを解析によって明らかにしていく。また、青果物内部の物性値分布の可視化では、異なる分解能を持つX線CT装置で撮影したCT画像が相互利用可能である必要がある。これを保障するためには、各々の装置で計測されたCT値の両者間でのキャリブレーションが不可欠である。CT値間のキャリブレーションには数種の標準物質を用いて両者を比較するとともに、ターゲットから放射されるX 線スペクトルを近似的に推定する計算式 (Tucker et al.、Med. Phys.、1991など) を元に特性パラメータをまとめるとともに、X線スペクトル解析によってX線源の経時劣化による強度特性変化にも耐え得る演算法を提案する。これをノーマル分解能X線CT装置の解析部に組み込むことより、諸物性値分布の３次元リアルタイム可視化を可能とする。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
