| 研究課題/領域番号 |
21K19894
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分90:人間医工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
田中 智久 東京工業大学, 工学院, 准教授 (70334513)
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| 研究分担者 |
朱 疆 東京工業大学, 工学院, 助教 (70509330)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 非線形振動応答 / 高周波メス / リアルタイム剛性計測 / 超音波加振 / 荷重計測 / 剛性 / 生体組織 / センシング / 振動応答 / 超音波 / 局所剛性計測 / 選択的切除 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本課題では，操作対象を高周波加振した際の対象の応答を操作器具そのもので計測することで，操作部位の局所剛性計測をリアルタイムに行うことが目的である．この目的の達成のため，主に3項目について研究を実施する．すなわち，(1) 刃物を用いた接触加振・計測実験をもとに提案技術の基本原理を実現し，つづいて(2)実際の切開動作を想定して刃物を動かしながら剛性計測を試みる．さらに(3)食肉や家畜の内臓などを対象とした電気メスによる切開実験により，実際の手術に応用する際の実用性チェックを行う．また，人の手による操作感についても医師による実操作に基づく意見を参考にして加振パラメータの検討を行う．
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| 研究実績の概要 |
令和5年度は，これまでに製作済みの装置構成により比較的小振幅の加振に対する応答を，前年度同様同方向と反対方向の計測により複数の周波数について確認した．本課題で目標とする計測対象（生体組織）の剛性は一般の機械材料に比べると数桁低い値であるため，受信装置の力学的インピーダンスもかなり低い値でないと精度の高い振動計測が困難であることがわかった．また，加振振幅も数倍拡大することで，対象の剛性に対する振動応答の変化も大きくなると考えられるため，令和6年度にはさらなる装置改良が必要であると考えられる．
一方，本課題の最終的な対象である生体組織に関する簡易的な振動応答計測実験として食用肉を用いた実験も実施した．生体組織の場合には粘弾性を示すほか，剛性の異方性が高いため，微小なプリロードをかけることで特に反対方向の計測において計測が可能となることが確認できた．これはプリロードによる圧縮で対象部分のローカルな剛性が上がり，計測が容易になったと考えられる．
加振周波数をスイープさせながら行う計測も前年度から引き続き２つの加振・受信方向の組み合わせについて実施した．シリコーンゴムの厚みや剛性を変化させながら，剛性の違いと計測の可否，および計測が可能な際の材料剛性と応答振動波形の関係を計測した結果，材料ごとの共振周波数とその高さが変化し，またスイープ波形もブロードとなり非線形性を示していると考えられる傾向がみられた．ただし，より高い精度で材料剛性を計測するためには(1)現在行っている手動で離散的に行っているスイープを自動化し，連続的かつ低速で実施すること，(2)加振系の固有振動を避けつつより大きな振幅で加振することですべて材料と周波数領域で一定の加振力を加えながらスイープすること，の2点を修正する必要があることがわかった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
計画していた一体型計測システム（加振機構と計測部が一体となっている加振・受信装置）の完成が遅れている事が第一の原因である．当初計画では加振装置と受信装置を一軸に配置し，加振振動と受信振動をそれぞれの周波数の違いを利用したフィルタリングで分離する構想であった．しかし，簡単な試作機により行った実験によって，両振動の分離が困難であり，装置構成の変更を含めた設計の改良が必要である事がわかった．振動の分離が不十分な原因は今のところ2点あると考えている．まず前述の研究実績の概要でも述べたように現状は加振振動振幅が小さいため，受信振動振幅も小さく加振振動に埋もれてしまっていることが，原因の一つであると考えている．また，計測システムを一体型にする場合の振動設計の完成度が低いことも考えられる．
一方，メス先を用いた切除試験につても，加振源からの振動の伝播に加え実験に用いる自動送りテーブルの振動が設計時に想定したものよりも大きく，これがノイズとなり計測すべき信号をクリアに受診することができておらず，振動応答の違いによる剛性の評価を困難にしている．この問題を解決するための装置送り系の再設計に時間を要した．
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| 今後の研究の推進方策 |
加振振動と受信振動の分離が不十分である原因を特定するため，当初に考えていた一体型計測システムでは一軸（一軸型）としていた加振装置と受信装置を対向させて計測対象を挟む形にし，それぞれの装置をできるだけ振動的に分離することとする．このように加振部と受信部を独立させることで設計の自由度が増し，それぞれの設計パラメータの影響が他方に影響することを防ぐことが可能となる．また加振側の振動振幅と受信側のセンサ感度をお互いの影響を低く抑えながらチューニングすることが可能となり，一軸型の場合に困難である振動分離の原因の調査が容易になる．また，振動振幅を大きくするための設計変更に伴う加振装置の大型化も容易となる．さらに，受信装置のプローブの力学的インピーダンスを加振機能と独立に調整できるため，適切な受信装置の設計を効率的に実施できる．
令和5年度までの研究で，周波数の変化に対して可能な限りフラットな振動振幅を得る必要があることが分かったため，あえて超音波ホーンによる振幅増幅を行わず，スイープ周波数全域で固有値を避ける設計を行って計測対象の剛性と振動応答の関係を定量的に調べる．なお，本課題の最終的な操作対象である生体組織の剛性（力学特性）は事前には不明であるが，ここで行う定量的な検討により加振・受信パラメータの適切な設定方法が得られたのちは，事前の簡単なキャリブレーションを利用することで対応できると考えている．
切除試験装置に用いる送りステージからの振動は，使用した送り案内の選定の際の動特性の見積もりの基準が低かったことや，既存装置の改良により装置を用意したことから装置各部の締結方法，送り系から加振部・受信部に至るまでの剛性性設計が不十分であることが原因と考えられる．従って，送り案内の交換と装置各部の修正を実施することで対策を行う．
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