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人体幹の高精度力学シミュレーションの構築

研究課題

研究課題/領域番号 23K20381
補助金の研究課題番号 20H04198 (2020-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2020-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分60100:計算科学関連
研究機関横浜国立大学

研究代表者

山田 貴博  横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (40240022)

研究分担者 槙山 和秀  横浜市立大学, 医学研究科, 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)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2024年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
キーワード生体力学 / 人体幹 / 数値シミュレーション / 内蔵組織 / メタモデリング / 生体組織 / 妥当性確認
研究開始時の研究の概要

本研究課題では,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,腹腔鏡下・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化とそのシミュレーション技術を開発する.提案する力学モデルについては,力学応答を非侵襲に計測する手法を開発し,被験者を用いた実験による妥当性確認を行う.

研究実績の概要

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.
令和5年度は,骨格系を含む体幹の幾何学モデルの生成手法の開発に取り組んだ.令和4年度から自動車衝突シミュレーションのために開発された人体の力学モデルであるTHUMSの利用について検討を開始し,令和5年度はこれを臓器配置等の位相情報を参照するための標準モデルとして利用することを検討した.このなかで,医用画像には現れない膜組織をTHUMSの臓器モデルとの接触解析により幾何モデルとして生成する技術の検討を行い,従来は検討されていなかった実際に近い複雑形状を有する臓器モデルに膜を配置する場合の課題を確認した.
また,令和5年度は,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,対象領域の詳細モデルを直接計算するための高速な有限要素解析手法の開発を行った.令和3年度から検討を行っている圧力安定化1次4面体要素に対して,高速かつロバストな計算を実現するため,動的陽解法を適用することを検討した.動的陽解法では,波動伝播速度により時間刻みが決定されるが,生体材料で現れる微圧縮性ではこれを大きな剛性をを持つ体積変形に対する伝播速度で決めることが必要である.一方,このような問題における支配的な挙動は等容変形であり,結果として過小な時間刻みを使うこととなる.そこで,体積変形に対しては陰解法,等容変形に対しては陽解法となる新しい時間積分法を開発し,その有効性を確認した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

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,自動車衝突シミュレーション用人体モデルTHUMSを人体幹の標準的な幾何学的モデルに適用する手法の検討を行った.THUMSは骨格系を含む有限要素モデルであることから,患者固有モデルとして詳細な解析を行う対象領域以外を簡便に扱うものとして有用であると考えられる.しかしながら,THUMSは動的陽解法による過渡応答解析を想定したモデルであることから,単純なデータ形式の変換だけでは本研究課題で開発する標準モデルとして利用することは困難であることが明らかとなった.したがって,患者固有モデルと標準モデルを組み合わせたモデル化手法の開発の進捗については当初計画からは遅れていると認識している.
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の開発をはりモデルを用いて行ったが,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,当初予定よりやや遅れている.
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,やや遅れていると判断している.

今後の研究の推進方策

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6年度の推進方策を考える.
課題1については,膜組織の力学的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が必須であり,直交格子を用いた膜の計算モデルとレベルセット関数と新しい接触解析の開発を推進する.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,THUMSをモデルが想定する自動車衝突シミュレーションと同様な計算環境・条件を用いて学習用データを生成し,機械学習を用いたメタモデリング技術を構築する手法の開発を進める.
課題3については,令和5年度までに開発した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.ロードセルを内蔵したプローブにより腹部のさまざまな点をさまざまな方向から圧迫し,その応答を超音波診断装置により撮影するとともに,腹部の外形の変位を光学式3Dスキャナで計測する手法を開発する.これにより,非侵襲で詳細な内臓を含む組織の力学応答を取得することが可能となり,得られたデータを用いて力学シミュレーションに基づく逆解析を行うことにより,基礎的な物性値を取得することを目指す.

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (32件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] 弾性体の振動固有値問題における有限要素解の数値特性2024

    • 著者名/発表者名
      山田 貴博
    • 雑誌名

      日本計算工学会論文集

      巻: 2024 号: 0 ページ: 20240002-20240002

    • DOI

      10.11421/jsces.2024.20240002

    • ISSN
      1344-9443, 1347-8826
    • 年月日
      2024-02-20
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Elastoplastic analysis of shells without any local iterative calculations by block Newton method2023

    • 著者名/発表者名
      Takeki Yamamoto, Takahiro Yamada, Kazumi Matsui
    • 雑誌名

      Computational Mechanics

      巻: 72 号: 5 ページ: 967-989

    • DOI

      10.1007/s00466-023-02322-x

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Introduction of pseudo-stress for local residual and algebraic derivation of consistent tangent in elastoplasticity2023

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Takeki、Yamada Takahiro、Matsui Kazumi
    • 雑誌名

      Computational Mechanics

      巻: - 号: 6 ページ: 1081-1091

    • DOI

      10.1007/s00466-023-02268-0

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Block Newton法による内部反復のない超弾性シェルの有限要素解析2022

    • 著者名/発表者名
      山本 剛大, 山田 貴博, 松井 和己
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 88 号: 912 ページ: 22-00150-22-00150

    • DOI

      10.1299/transjsme.22-00150

    • ISSN
      2187-9761
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Block Newton 法の平面応力弾塑性問題への適用2021

    • 著者名/発表者名
      山本 剛大、山田 貴博、松井 和己
    • 雑誌名

      日本計算工学会論文集

      巻: 2021 号: 0 ページ: 20210021-20210021

    • DOI

      10.11421/jsces.2021.20210021

    • NAID

      130008118755

    • ISSN
      1347-8826
    • 年月日
      2021-11-19
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 微圧縮弾性体の動的問題に対する分離型時間積分2021

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 雑誌名

      土木学会論文集A2(応用力学)

      巻: 77 号: 2 ページ: I_217-I_225

    • DOI

      10.2208/jscejam.77.2_I_217

    • NAID

      130008150515

    • ISSN
      2185-4661
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 構造物の変形状態考慮による超弾性体の材料物性同定手法の提案2021

    • 著者名/発表者名
      岩田智行, 山田貴博, 藤原基英, 井畑知明, 岡田和也
    • 雑誌名

      土木学会論文集A2(応用力学)

      巻: 77 号: 2 ページ: I_163-I_170

    • DOI

      10.2208/jscejam.77.2_I_163

    • NAID

      130008150503

    • ISSN
      2185-4661
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Training on a virtual reality laparoscopic simulator improves performance of live laparoscopic surgery2021

    • 著者名/発表者名
      Ohtake Shinji、Makiyama Kazuhide、Yamashita Daisuke、Tatenuma Tomoyuki、Yao Masahiro
    • 雑誌名

      Asian Journal of Endoscopic Surgery

      巻: 15 号: 2 ページ: 313-319

    • DOI

      10.1111/ases.13005

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] How to reduce the risk of organ injuries during surgical instrument insertion in laparoscopic surgery: Pushing/pressing force analysis using forceps with sensors2020

    • 著者名/発表者名
      Makiyama Kazuhide、Osaka Kimito、Araki Azumi、Ohtake Shinji、Tatenuma Tomoyuki、Nagasaka Manabu、Yamada Takahiro、Yao Masahiro
    • 雑誌名

      Asian Journal of Endoscopic Surgery

      巻: 1 号: 3 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1111/ases.12904

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 特定 P 波モードを用いた弾性円筒の振動固有値解析の検証2020

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 雑誌名

      土木学会論文集A2(応用力学)

      巻: 76 号: 2 ページ: I_259-I_267

    • DOI

      10.2208/jscejam.76.2_I_259

    • NAID

      130007980145

    • ISSN
      2185-4661
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Assessment of Properties of Numerical Procedures for Dynamic Problems of Nearly Incompressible Elasticity2023

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Yamada
    • 学会等名
      ASME Verification, Validation, and Uncertainty Quantification Symposium 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] NUMERICAL PROPERTIES OF PRESSURE-STABILIZED LINEAR TETRAHEDRAL ELEMENT FOR WAVE PROPAGATION IN NEARLY INCOMPRESSIBLE ELASTICITY2023

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Yamada
    • 学会等名
      9th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 微圧縮弾性体の固有値問題における圧力安定化四面体1次要素の数値特性2023

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Block Newton法の大変形弾塑性問題への適用2023

    • 著者名/発表者名
      山本剛大
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 弾性体の振動固有値の有限要素解の特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      第26回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 圧力安定化有限要素法を用いた微圧縮弾性体の波動伝播解析2022

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      第27回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 平面応力弾塑性解析へのBlock Newton法の適用2022

    • 著者名/発表者名
      山本 剛大,山田 貴博,松井和己
    • 学会等名
      第27回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 微圧縮弾性体の波動伝播解析における圧力安定化 1 次要素の数値特性2022

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      日本応用数理学会2022年度年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 微圧縮弾性体の動的解析のための分離型時間積分法2022

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      第35回日本機械学会計算力学講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 非圧縮弾性体の動的問題に対する圧力安定化有限要素法2022

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      土木学会第25回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Mixed Time Integrator for Finite Element Analysis of Wave Propergation in Nearly Incompressible Elasticity2022

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Yamada
    • 学会等名
      15th World Congress on Computational Mechanics and 8th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 微圧縮弾性体に対する混合型有限要素法への陽的時間積分法の適用2021

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      第26回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 微圧縮超弾性体の変形解析に適用できるシェル要素の定式化2021

    • 著者名/発表者名
      山本剛大,山田貴博
    • 学会等名
      第26回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Numerical Verification of Eigenvalue Analysis of Vibration of Elastic Circular Cylinder by Using Specific P-Wave Modes2021

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Yamada
    • 学会等名
      16th U.S. National Congress on Computational Mechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 微圧縮弾性体に対する分離型時間積分の安定性解析2021

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      日本応用数理学会2021年度年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 構造物の応力状態考慮による超弾性体材料定数同定手法の提案と市販FEAコードによる検証(第2報)2021

    • 著者名/発表者名
      岩田 智行, 山田 貴博, 藤原 基英, 井畑 知明, 岡田 和也
    • 学会等名
      第26回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] RAPNにおける患者特異的シミュレーション・ナビゲーション2021

    • 著者名/発表者名
      槙山和秀
    • 学会等名
      第35回日本泌尿器内視鏡学会総会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Numerical verification of finite element method for large deformation problems of hyperelasticity2021

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Yamada
    • 学会等名
      14th World Congress on Computational Mechanics and 8th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Code Verification of Finite Element Method for Elastodynamics Problems2020

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Yamada
    • 学会等名
      ASME V&V symposium 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 固体の振動固有値問題の検証に関する考察2020

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      第25回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 深層学習による超弾性体のメタモデリング2020

    • 著者名/発表者名
      柴田塁,山田貴博
    • 学会等名
      第25回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 解析的に求解可能な円筒領域における弾性体の振動固有値問題について2020

    • 著者名/発表者名
      山田貴博
    • 学会等名
      日本応用数理学会2020年度年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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