粒子法シミュレーションを用いた肺の呼吸性移動の研究

• 研究課題/領域番号: 25286098
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 計算科学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 越塚 誠一 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80186668)
• 研究分担者: 柴田 和也 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (30462873)
• 研究協力者: 中川 恵一
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円); 2016年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2015年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2014年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2013年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: 計算力学 / 生体力学 / 粒子法 / 肺がん / 放射線治療 / 高精度スキーム / 境界条件

研究成果の概要

粒子法固体解析手法を用いて、肺の呼吸性移動のシミュレーション技術を開発した。具体的には、胸郭の運動モデル、横隔膜の運動モデル、肺モデルを作成し、これらを組み合わせた。計算結果は医用画像と比較してその妥当性確認を行った。おおむねよい一致が見られた。しかしながら、肺外面と胸郭内面のすべりが再現できていないという問題が残った。粒子法による生体力学シミュレーションとしては、他に三半規管内のリンパ液の流動解析および嚥下と誤嚥の解析も行った。粒子法の計算精度の向上のため、高次精度粒子法空間離散化スキーム、これを対流項に用いる任意ラグランジュ-オイラー法、ポリゴンを用いた壁境界条件の研究も行った。

研究成果

• [雑誌論文] An ALE particle method using upwind interpolation (2017)
  • 著者名/発表者名: Fangyuan Hu, Takuya Matsunaga, Tasuku Tamai, Seiichi Koshizuka
  • 雑誌名: Computers and Fluids 巻: 145 ページ: 21-36
  • DOI: 10.1016/j.compfluid.2016.12.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of Pressure Distribution to Arbitrary Geometry with Boundary Condition Represented by Polygons in Particle Method (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Zhang, S. Koshizuka, K. Murotani, K. SHibata and E. Ishii
  • 雑誌名: Int. J. Num. Methods Eng. 巻: XX 号: 7 ページ: 685-710
  • DOI: 10.1002/nme.5520
  • 査読あり
• [雑誌論文] 流体シミュレーションにおける粒子法：MPS法とLSMPS法の数値解析精度の比較 (2016)
  • 著者名/発表者名: 室谷浩平，玉井佑，越塚誠一
  • 雑誌名: 応用数理 巻: 26 号: 2 ページ: 2-13
  • DOI: 10.11540/bjsiam.26.2_2
  • NAID: 130005267467
  • ISSN: 2432-1982
  • 年月日: 2016-06-24
  • 査読あり
• [雑誌論文] ミラー粒子境界表現を用いたMPS法による流体シミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 松永 拓也、柴田 和也、室谷 浩平、越塚 誠一
  • 雑誌名: 日本計算工学会論文集 巻: 2016 号: 0 ページ: 20160002-20160002
  • DOI: 10.11421/jsces.2016.20160002
  • NAID: 130005122066
  • ISSN: 1347-8826
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improvement of Boundary Conditions for Non-planar Boundaries Represented by Polygon with an Initial Arrangement Technique (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Zhang, S. Koshizuka, K. Murotani, K. Shibata, E. Ishii and M. Ishikawa
  • 雑誌名: Int. J. Computational Fluid Dynamics 巻: 30 号: 2 ページ: 155-175
  • DOI: 10.1080/10618562.2016.1167194
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] メッシュフリー法と粒子法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 萩原世也, 越塚誠一
  • 雑誌名: 計算工学 巻: 21 ページ: 3373-3375
  • NAID: 10024820165
• [雑誌論文] Moving Particle Semi-implicit (MPS) Method - Application to Free Surface Flow (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka
  • 雑誌名: iacm expressions 巻: 39 ページ: 2-5
• [雑誌論文] On the consistency and convergence of particle-based meshfree discretization schemes for the Laplace operator (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tamai, K. Murotani and S. Koshizuka
  • 雑誌名: Computers & Fluids 巻: xx ページ: 79-85
  • DOI: 10.1016/j.compfluid.2016.02.012
  • 査読あり
• [雑誌論文] 胸郭運動を考慮した横隔膜の運動モデル (2013)
  • 著者名/発表者名: 大倉孝之, 伊藤広貴, 越塚誠一, 野元昭弘, 芳賀昭弘, 中川恵一
  • 雑誌名: Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 31 号: 3 ページ: 189-197
  • DOI: 10.11409/mit.31.189
  • NAID: 130003374512
  • ISSN: 0288-450X, 2185-3193
  • 査読あり
• [学会発表] A Poisson's Equation for the Boundary Condition Represented by Polygons in MPS Method (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Zhang, S. Koshizuka, K. Shibata and P. Xuan
  • 学会等名: 化学工学会第82年会
  • 発表場所: 東京都港区、芝浦工業大学
  • 年月日: 2017-03-06
• [学会発表] 自由表面を有する流れ解析のためのMoving Particle Semi-implicit法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 越塚誠一
  • 学会等名: 第２２回流動化・粒子プロセッシングシンポジウム
  • 発表場所: 東京都目黒区、東京大学生産技術研究所
  • 年月日: 2016-12-08
  • 招待講演
• [学会発表] Verification and Validation of Water Spreading in Nuclear Reactor Building Using Explicit Moving Particle Simulation Method (2016)
  • 著者名/発表者名: Z. Wang and S. Koshizuka
  • 学会等名: 9th International Symposium on Nuclear Science and Technology
  • 発表場所: Shanghai,China
  • 年月日: 2016-11-13
  • 国際学会
• [学会発表] 高次精度メッシュフリー法を用いた非一様な熱伝導率を持つ熱拡散方程式の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 玉井佑, 越塚誠一
  • 学会等名: 日本機械学会第29回計算力学講演会 (CMD2016)
  • 発表場所: 愛知県名古屋市、名古屋大学
  • 年月日: 2016-09-22
• [学会発表] Moving Particle Semi-implicit Method in Computational Fluid Dynamics: Basic Studies and Application to Industry (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka
  • 学会等名: 12th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XII), 6th Asia-Pacific Conference on Computational Mechanics (APCOM VI)
  • 発表場所: Seoul,Korea
  • 年月日: 2016-07-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An ALE Particle Method Using Upwind Interpolation for Solving Flows with Moving Boundary and Free Surface (2016)
  • 著者名/発表者名: F. Hu and S. Koshizuka
  • 学会等名: European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS)
  • 発表場所: Crete Island, Greece
  • 年月日: 2016-06-05
  • 国際学会
• [学会発表] Generalization of Meshfree Compact Schemes and Their Applications (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tamai and S. Koshizuka
  • 学会等名: European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS)
  • 発表場所: Crete Island, Greece
  • 年月日: 2016-06-05
  • 国際学会
• [学会発表] メッシュフリー法と粒子法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 萩原世也, 越塚誠一
  • 学会等名: 第２１回計算工学講演会
  • 発表場所: 新潟県新潟市、朱鷺メッセ
  • 年月日: 2016-05-31
  • 招待講演
• [学会発表] 粒子法による流体シミュレーションの現状 (2015)
  • 著者名/発表者名: 越塚誠一
  • 学会等名: 第24回素材工学研究懇談会
  • 発表場所: 宮城県仙台市、東北大学
  • 年月日: 2015-11-11
  • 招待講演
• [学会発表] Particle Method: a Lagrangian Meshless Method for Computational Fluid Dyamics (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka
  • 学会等名: Int. Workshop on the Multi-Phase Flow; Analysis, Modeling and Numerics
  • 発表場所: 東京都新宿区、早稲田大学
  • 年月日: 2015-11-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A Structure Preserving Meshfree Spatial Discretization Scheme (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tamai and S. Koshizuka
  • 学会等名: 3rd International Workshops on Advances in Computational Mechanics (IWACOM-III)
  • 発表場所: 東京都墨田区、KFC Hall & Rooms
  • 年月日: 2015-10-12
  • 国際学会
• [学会発表] 粒子法のための半陰解法による表面張力モデリング (2015)
  • 著者名/発表者名: 玉井佑, 越塚誠一
  • 学会等名: 日本機械学会第28回計算力学講演会 (CMD2015)
  • 発表場所: 神奈川県横浜市、横浜国立大学
  • 年月日: 2015-10-10
• [学会発表] Conservative Particle System (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tamai and S. Koshizuka
  • 学会等名: 4th International Conference on Particle-Based Methods. Fundamentals and Applications (PARTICLES2015)
  • 発表場所: スペイン、バルセロナ
  • 年月日: 2015-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a Deaeration Model for Stirred Tank Analysis in Moving Particle Simulation Method (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka, S. Kaito, Y. Kikuchi, M. Kujime, Y. Ishiba and A. Horiguchi
  • 学会等名: 4th International Conference on Particle-Based Methods. Fundamentals and Applications (PARTICLES2015)
  • 発表場所: スペイン、バルセロナ
  • 年月日: 2015-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Biomechanics of Soft Tissues using Moving Particle Simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka, R. Shino, T. Okura, C. Chen and T. Kikuchi
  • 学会等名: 6th International Conference on Computational Methods (ICCM2015)
  • 発表場所: ニュージーランド、オークランド
  • 年月日: 2015-07-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Industrial Application of Moving Particle Simulation Method (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka, K. Shibata, K. Murotani and T. Fujisawa
  • 学会等名: 1st Pan-American Congress on Computational Mechanics (PANACM2015)
  • 発表場所: アルゼンチン、ブエノスアイレス
  • 年月日: 2015-04-27
  • 国際学会
• [学会発表] Fundamental Study of Moving Particle eXplicit (MPX) Method (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tamai, K. Murotani and S. Koshizuka
  • 学会等名: 1st Pan-American Congress on Computational Mechanics (PANACM2015)
  • 発表場所: アルゼンチン、ブエノスアイレス
  • 年月日: 2015-04-27
  • 国際学会
• [学会発表] Industrial Application of Moving Particle Simulation Method (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka, K. Shibata, K. Murotani and T. Fujisawa
  • 学会等名: 1st Pan-american Congress on Computational Mechanics (PANACM2015)
  • 発表場所: アルゼンチン、ブエノスアイレス
  • 年月日: 2015-04-27
  • 国際学会
• [学会発表] Fundamental Study of Moving Particle eXplicit (MPX) Method (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tamai, K. Murotani and S. Koshizuka
  • 学会等名: 1st Pan-american Congress on Computational Mechanics (PANACM2015)
  • 発表場所: アルゼンチン、ブエノスアイレス
  • 年月日: 2015-04-27
  • 国際学会
• [学会発表] Lung Deformation Simulation Based on Medical Images and Motion Models of Diaphragm and Ribs Using the MPS (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Okura, K. Shibata, S. Koshizuka, A. Nomoto, A. Haga and K. Nakagawa
  • 学会等名: 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI)
  • 発表場所: Spain、Barcelona
  • 年月日: 2014-07-20 – 2014-07-25
• [学会発表] Moving Particle Simulation for Medical Application (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka1, H. Ito, R. Shino, T. Okura, I. Morito and T. Kikuchi
  • 学会等名: 5th Asia Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM2013) and 4th Int. Symp. on Computational Mechanics (ISCM2013)
  • 発表場所: Singapore, Singapore
  • 年月日: 2013-12-11 – 2013-12-14
  • 招待講演
• [学会発表] 肋軟骨の弾性を考慮した胸郭の運動シミュレーション (2013)
  • 著者名/発表者名: 森戸一粋
  • 学会等名: システム創成学専攻第５回学術講演会
  • 発表場所: 東京、東京大学工学部
  • 年月日: 2013-12-06 – 2013-12-07
• [学会発表] 肋軟骨の弾性を考慮した胸郭運動シミュレーション (2013)
  • 著者名/発表者名: 森戸一粋, 伊藤広貴, 越塚誠一
  • 学会等名: 日本機械学会第26回計算力学講演会
  • 発表場所: 佐賀、佐賀大学
  • 年月日: 2013-11-02 – 2013-11-04
• [学会発表] Deformation of Human Organs Using Moving Particle Simulation (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Koshizuka, H. Ito, R. Shino, T. Okura, I. Morito and T. Kikuchi
  • 学会等名: Particle-Based Methods III
  • 発表場所: Germany、Stuttgart
  • 年月日: 2013-09-18 – 2013-09-20
• [学会発表] CT画像をベースにした形状に基づく横隔膜の運動シミュレーション (2013)
  • 著者名/発表者名: 大倉孝之, 伊藤広貴, 越塚誠一, 野元昭弘, 芳賀昭弘, 中川恵一
  • 学会等名: 第32回日本医用画像工学会大会
  • 発表場所: 東京、日本科学未来館
  • 年月日: 2013-08-02 – 2013-08-03