• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2018 年度 実施状況報告書

生体の大域・局所構造に起因したふく射の干渉機構の解明と光散乱特性の理論値導出

研究課題

研究課題/領域番号 18K13694
研究機関北海道大学

研究代表者

藤井 宏之  北海道大学, 工学研究院, 助教 (00632580)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード光学特性値 / ふく射場の干渉機構 / 生体の大域・局所構造 / 干渉散乱理論 / ふく射輸送方程式
研究実績の概要

本研究では、生体組織を高密度かつ網目構造を有した高分子溶液として捉え、光干渉散乱理論に基づいて、生体組織における光散乱特性の理論値を導出すること、そして、生体組織の構造特性に起因した光の干渉機構を解明することを目的としている。

平成30年度では、まず、従来の単分散のコロイド水溶液における干渉散乱理論を多分散に拡張することを試みた。ここで、Cartignyらによって構築された干渉散乱理論を適用し、静的構造因子にはPercus-Yevickの解析解を用いた。また、粒径分布や粒子径などは、生体や農産物の模擬試料として広く用いられているイントラリピッド水溶液に関する計測データを用いた。体積分率が2%程度より低い場合、独立散乱理論と干渉散乱理論による散乱係数は同じとなり、それより大きい場合では干渉効果によって、干渉散乱理論の結果の方が値が小さくなった。この結果は、先行研究による単分散シリカ溶液の結果と同じ傾向であることから、多分散の効果は、定量的に寄与することが考えられた。
次に、イントラリポス溶液を用いて、粒径分布や光計測を行う準備を進めた。粒径分布は北海道大学工学研究院マテリアル分析・構造解析共用ユニットMASAOUにて光計測した。計測結果より、粒径分布はGauss分布の形をしていることが分かったが、計測原理上、高い体積分率では測定できず、今後は別の手法で測定することになった。
最後に、散乱係数を測定するため、ふく射輸送方程式に基づいた逆解析アルゴリズムを構築した。均一無限媒体における、ふく射輸送方程式の解析解と拡散近似した境界条件を用いて、半無限媒体における、ふく射輸送方程式の近似解を構築し、光伝播モデルとした。この近似が成立する光源ー検出点間距離を、ふく射輸送方程式の数値計算と比較することで評価した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成30年度は、分子動力学シミュレーションを行い、様々な溶液における構造因子を取得する計画であった。しかし、構造因子がPercus-Yevickの解析解の場合で、どこまで実験値を再現できるのか検証することが最初にすべきことと考え、方針を変更した。そのため、平成31年度、平成32年度で実施する計画だった内容を今年度に実施した。粒径分布の測定は、今後課題であるものの、干渉散乱理論の多分散系への拡張、ふく射輸送方程式に基づいた逆解析アルゴリズムの構築を達成したため、今回の自己評価とした。

今後の研究の推進方策

今後は、イントラリポス溶液における光計測を行い、ふく射輸送方程式に基づいた逆解析アルゴリズムを用いて、散乱係数を算出する。現在のアルゴリズムを、散乱係数と異方性因子を分離して推定できるように改良する。光計測では、換算散乱係数から散乱係数と異方性因子が分離可能となる光源ー検出点間距離などの測定条件を探索する。光計測では、溶液中でも光源ー検出点を適切に設定できるようなホルダーを作成する予定である。
また、体積分率が高い場合におけるイントラリポス溶液の粒径分布や静的構造因子を計測していく。分子動力学シミュレーションによる静的構造因子計算についても進め、まずは、ソフトコアポテンシャルにおける計算コードを改良し、Percus-Yevick解析解と比較することで妥当性を検証する。また、多分散における静的構造因子も計算し、平成30年度で構築した近似手法が妥当かどうか、検証する。検証後、バネビーズモデルなど、高分子系に移行する予定である。

次年度使用額が生じた理由

平成30年度では、大規模計算用ワークステーションの新規購入と現在所有しているワークステーションのメモリ増設のための費用を計上していた。性能のよいメモリに加えて、計算速度向上のためにCPUも追加で購入した。そのため、予定していた費用よりも大きくなり、大規模計算用ワークステーションを購入することができず、差額が生じた。2019年度では、国際会議RAD-19(ギリシア)とCMBE(仙台)で成果を発表するための旅費を計上することは決定している。また、イントラリポス溶液の粒子径分布の計測装置の使用費用にも充てる予定である。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Numerical errors of light propagation in the two-dimensional human neck model using the time-dependent radiative transfer equation with renormalized phase functions2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Fujii, Yukio Yamada, Yoko Hoshi, Kazumichi Kobayashi, Masao Watanabe
    • 雑誌名

      AIP Conference Proceedings of ICNAAM 2018

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Finite element investigation of a void region on light propagation in scattering media using the radiative transfer equation2019

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Tabayashi, Hiroyuki Fujii, Kazumichi Kobayashi, Masao Watanabe
    • 雑誌名

      AIP Conference Proceedings of ICNAAM 2018

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

  • [雑誌論文] Accurate and efficient computation of the 3D radiative transfer equation in highly forward-peaked scattering media using a renormalization approach2018

    • 著者名/発表者名
      Fujii Hiroyuki, Yukio Yamada, Go Chiba, Yoko Hoshi, Kazumichi Kobayashi, Masao Watanabe
    • 雑誌名

      Journal of Computational Physics

      巻: 374 ページ: 591-604

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.07.047

    • 査読あり
  • [学会発表] 光CTによる甲状腺腫瘍診断のための ヒト頸部内光伝播の数値解析2018

    • 著者名/発表者名
      藤井宏之,山田幸生,星詳子,小林一道,渡部正夫
    • 学会等名
      第40回日本光医学・光生物学会
  • [学会発表] Numerical study of light scattering in the human neck for diagnosis of thyroid cancers by optical tomography2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Fujii, Yukio Yamada, Yoko Hoshi, Kazumichi Kobayashi, Masao Watanabe
    • 学会等名
      12th International Conference on Complex Medical Engineering (CME2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] 生体における光の輸送現象: 輻射輸送方程式の数値計算と光トモグラフィへの応用に向けて2018

    • 著者名/発表者名
      藤井宏之
    • 学会等名
      2018年度 第50回炉物理夏期セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] Light propagation model of biological tissues and agricultural products for evaluations of the optical properties2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Fujii, Goro Nishimura, Go Chiba, Kazumichi Kobayashi, Masao Watanabe
    • 学会等名
      The 8th Academic Exchange for Collaborative Research Between ETHZ and Hokkaido University (AECoR8)
    • 国際学会
  • [備考] research map

    • URL

      https://researchmap.jp/fujii-hr/?lang=japanese

  • [備考] google scholar

    • URL

      https://scholar.google.com/citations?user=eS4DaEsAAAAJ&hl=ja

  • [備考] 所属研究室web page

    • URL

      http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/fluid/%e8%ab%96%e6%96%87%e3%83%bb%e7%99%ba%e8%a1%a8/

URL: 

公開日: 2019-12-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi