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2020 年度 実施状況報告書

レーザー共鳴周波数解析による医療インプラント設置強度の診断手法の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 19K04286
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

錦野 将元  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 研究統括(定常) (70370450)

研究分担者 長谷川 登  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 光量子科学研究部, 主幹研究員(定常) (50360409)
三上 勝大  近畿大学, 生物理工学部, 助教 (20722763)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワードレーザー計測 / アブレーション / 固有振動 / 熱弾性波
研究実績の概要

整形外科インプラントである椎弓根スクリューを想定した六角ボルトを用い、ワッシャー型ロードセルを実験系に導入することで、締結トルクおよび軸力の同時計測可能な評価系の構築が完了した。この実験系を構築した結果、従来の椎弓根スクリューの設置強度評価に用いている埋入トルク-固有振動周波数の相関グラフで示される埋入トルクは、軸力を示していることを明らかにした。同時に、締結トルクおよび軸力からMotoshの式より摩擦係数を導出し、固有振動周波数との相関評価を開始した。詳細な解析については継続して実施中であるが、摩擦係数により従来のtanh関数の相関関係が変化する傾向を確認している。
一方で、マルチレーザー照射による評価系として、レーザー照射周波数を掃引可能なレーザー装置を導入することで振動強度の評価を実施した。共鳴周波数と同じレーザー照射周波数において、その振動強度が向上することを確認した。特筆すべき結果として、その振動は、従来の加振原理であったレーザーアブレーションによるプルーム (蒸散物) の噴出が生じないエネルギー密度以下となっても検出されており、同時にレーザーアブレーションに伴う音響および電磁波ノイズが生じないことから、高精度計測が達成できることを見出した。2020年度の成果として、従来と比べ4桁以上の計測精度、および2桁近くの低エネルギーレーザーパルスにより振動計測が達成できる可能性を明らかにしている。また、その振動強度の変化に基づく振動減衰比のパラメータ推定に着手した。

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

当初の予定通り、ロードセルを導入した軸力同時計測の実験系構築および評価を行った。また、マルチレーザー照射の評価に着手し、減衰比パラメータの推定について検討を開始したとともにレーザー照射周波数を掃引することによる、高精度化および低エネルギー化に関する成果を得た。

今後の研究の推進方策

研究計画にある有限要素法による簡易解析モデルの検討を開始する。既に解析用マシンの準備は完了しており、実験結果を説明可能なモデル条件を探究する。また、今年度の研究成果で見出したレーザー照射周波数を掃引する方式について、限界性能を評価し、より高精度化および低エネルギー化の可能性を見極める。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Highly Sensitive Low-Energy Laser Sensing Based on Sweep Pulse Excitation for Bolt Loosening Diagnosis,2021

    • 著者名/発表者名
      K. Mikami, Y. Zhao, M. Morita, T. Sakamoto, H. Nishikawa
    • 雑誌名

      Journal of Nondestructive Evaluation

      巻: 40 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1007/s10921-020-00746-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Laser resonance frequency analysis of pedicle screw stability: A cadaveric model bone study2021

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Nakashima, Katsuhiro Mikami, Shunsuke Kikuchi, Masaharu Nishikino, Toshiyuki Kitamura, Noboru Hasegawa, Morio Matsumoto, Masaya Nakamura, Takeo Nagura
    • 雑誌名

      Journal of Orthopaedic Research

      巻: 2021 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1002/jor.24983

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Characterization of laser-induced vibration on concrete surface toward highly efficient laser remote sensing2020

    • 著者名/発表者名
      Katsuhiro Mikami, Noboru Hasegawa, Toshiyuki Kitamura, Hajime Okada, Shuji Kondo, Masaharu Nishikino
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 59 ページ: 1-9

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab9849

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 掃引加振法によるレーザー誘起振動波診断の低エネルギー化実証2021

    • 著者名/発表者名
      数藤菜摘, 三上勝大
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第41回年次大会
  • [学会発表] レーザー照射による振動工学パラメータ計測手法の検討2021

    • 著者名/発表者名
      岡本佑夏, 三上勝大
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第41回年次大会
  • [学会発表] 低エネルギー化を目指したレーザー誘起振動波診断の最適化2021

    • 著者名/発表者名
      数藤菜摘, 三上勝大, 岡本佑夏
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] レーザー共鳴周波数解析による摩擦計測手法の検討2021

    • 著者名/発表者名
      岡本佑夏, 三上勝大
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 超低エネルギーレーザーによるインプラント設置強度診断2020

    • 著者名/発表者名
      三上勝大, 西川博昭
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Demonstration of High-Speed Laser Hammering System for the Lining Concrete Inspection2020

    • 著者名/発表者名
      Noboru Hasegawa, Masaharu Nishikino, Hajime Okada, Shuji Kondo, Toshiyuki Kitamura, Shigeru Kogure, Masamichi Abe, Kazuhisa Masuzoe
    • 学会等名
      World Tunnel Congress 2020
    • 国際学会

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公開日: 2021-12-27  

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