| 研究課題/領域番号 |
24H00695
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分60:情報科学、情報工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 宮崎大学 |
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研究代表者 |
武居 周 宮崎大学, 工学部, 教授 (40598348)
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| 研究分担者 |
三目 直登 筑波大学, システム情報系, 助教 (10808083)
伊藤 桂一 秋田工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (20290702)
杉山 博信 宮崎大学, 医学部, 特別助教 (40872148)
金子 栄樹 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40908802)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2029-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)
2026年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
2025年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
2024年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
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| キーワード | 高周波電磁界解析 / 領域分割法 / POD / 医療マイクロ波 / 大規模計算 / デジタルツイン / 医療マイクロ波解析 / 数値人体モデル |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本課題では、これまでの研究を礎として、高周波電磁場の医療利用に関して汎用的に利用可能な方法論およびフレームワークを創成し、その医療分野適用例として「マイクロ波メス」を対象とした検討を行う。当該フレームワークの数理的基盤として、B-spline関数を導入した高次・高精度有限要素法と、領域分割型PODによる低次元モデル化を融合した高速化手法を確立する。更に、体格・臓器配置等が異なる患者個別デジタルツインの実現のために、境界の陰関数的表現を利用したモデル生成・数値解析手法を確立し、様々な形状を汎用的かつ統一的に扱うことを可能とする。
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| 研究実績の概要 |
本課題は，医療用マイクロ波機器の安全性と治療効果の両立を目的とし，患者個別の生体情報に基づく高精度なデジタルツイン解析環境を構築するものである。とりわけ，マイクロ波メスの臨床応用において重要となる体内加熱の局所性および選択性を評価・予測可能とする解析技術の確立を通じて，汎用的かつ高速な電磁熱連成解析フレームワークの創成を目指した。
本研究では，高周波帯域での解析精度向上を図るため，B-spline 関数を基盤とした高次有限要素法を導入し，生体内の複雑な臓器境界や組織分布を滑らかかつ高精度に表現可能な数値スキームを整備した。また，領域分割型 Proper Orthogonal Decomposition（POD）による低次元モデル化手法を組み合わせ，大規模問題における計算コストの大幅な低減と高速解析を両立する革新的アルゴリズムを実装した。
さらに，CT画像等の医用画像データを基に，陰関数表現を用いた自動モデリング技術を開発し，多様な患者形状を統一的に処理可能な数値モデル生成プロセスを確立した。これにより，患者個別の臓器配置や体格差を反映したデジタルツイン解析が可能となった。
2024年度は課題初年度として，人体モデル生成アルゴリズムの開発と動作検証を行い，複数症例への適用に成功した。加えて，電磁界解析ソフトウェアの高速化・小メモリ化を目的としたコード最適化を実施し，数億要素規模の解析においても実行可能な解析基盤を整備した。さらに，電波暗室におけるマイクロ波メスの周波数特性評価と，個別患者モデルによるシミュレーションを通じて，開発フレームワークの妥当性と医療現場への応用可能性を検証した。これらの成果は，今後の個別化医療・精密治療の技術的基盤として極めて重要な意義を有する。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
令和6（2024）年度は本課題の初年度にあたり，研究計画に基づき，患者個別デジタルツイン解析の実現に向けた基盤的要素技術の開発および評価を中心に据え，着実に進捗を得た。
第一に，CT画像を用いた人体数値モデルの自動生成に関して，陰関数表現による臓器境界抽出アルゴリズムを実装し，複数症例に適用可能な高次有限要素メッシュ生成手法のワークフローを整備した。これにより，形状の個体差を反映した数値モデルの一括生成が可能となり，デジタルツイン解析に不可欠な前処理系の信頼性を高める成果を得た。
第二に，ADVENTURE_FullWaveを基盤とする電磁界解析コードに対し，要素行列生成の並列化やメモリ使用量最適化の検討を行い，数億要素規模の解析実行において計算時間の短縮とメモリ使用量の削減に成功した。あわせて，PODによる低次元化の試行的実装も進め，今後の高速化に向けた基礎を整えた。
さらに，研究グループ内の定期的ミーティングに加え，代表者主催による研究集会「LSCEM2025」を開催し，分担者や国内外の研究者との議論を通じて研究の方向性と実用性に関する知見を深めた。以上により，本課題は極めて順調に推進されている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は，引き続き当初計画に基づき，患者個別デジタルツイン解析の実用化に向けた解析フレームワークの高度化を推進するとともに，関連する外部資金との連携を通じた研究展開を図る予定である。具体的には，2024年度に本課題代表者が代表者として採択されたJST A-STEP課題「GHz帯のEMC対策設計に向けた，大規模電磁界シミュレーション・フレームワークの創出」において進行中の，並列高周波電磁界解析アルゴリズムの高速化・安定化技術と本課題との技術的シナジーを積極的に活用し，より実用性の高い計算基盤の構築を目指す。
また，研究成果の発信と国内外の知見集約を目的として，科研費合同研究集会「第9回 大規模電磁界数値解析手法に関する研究シンポジウム（LSCEM2026）」の開催を計画しており，これを通じて分野横断的な議論と共同研究の促進を図る。かかる活動を通じて，本課題の成果を医療応用を含む広範な分野へと波及させ，社会的意義ある研究へと昇華させてゆく。
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