| 研究課題/領域番号 |
21K12638
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| 研究機関 | 明石工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
細川 篤 明石工業高等専門学校, 電気情報工学科, 准教授 (00321456)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 海綿骨 / 圧電信号 / 超音波 / 数値シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
令和４年度の研究では、超音波照射によって海綿骨で生じる圧電信号に関して、数値シミュレーションと実験の準備を行った。
数値シミュレーションについては、まず、大容量モデルに対応できるように、計算サーバの整備およびシミュレーションプログラムの改善（メモリ使用の効率化）を行った。次に、実験試料のX線μCTイメージから作成した骨モデルを用いて数値シミュレーションを行った。そのシミュレーション結果より、圧電信号は骨梁構造に対して敏感に変化するため、骨モデル（試料）の個体差が原因で微細構造の影響について検討することが困難であることが判明した。そこで、当初の研究計画を変更して、画像処理技術を用いて疑似的に骨梁構造を変化させるプログラムの作成を行った。このプログラムによって骨梁構造を規則的に変化させて、骨梁構造に対する圧電信号の変化について検討することが容易になった。骨モデルの骨梁要素を間隙要素に変換する浸食処理を三通りの浸食方向（ランダムな方向、主要な骨梁配向に平行・垂直な方向）で行ったそれぞれの骨モデルに対して、超音波照射を主要な骨梁配向に平行・垂直な方向の二通りで行った（計六通りの数値シミュレーションを行った）。これらのシミュレーション結果を解析した結果、超音波照射方向に関係なく、照射方向に垂直な骨梁要素が圧電信号の発生に大きく関連することが示唆された。
実験の準備については、海綿骨だけの試料および海綿骨と皮質骨が混在する試料の作製を行った。さまざまな骨梁構造および海綿骨と皮質骨の割合の試料とするために、さまざまな箇所から骨片を切り出した。骨試料のX線μCTイメージの撮影を行って、骨梁構造を解析した（このX線μCTイメージから、数値シミュレーション用の骨モデルを作成した）。また、骨試料を圧電素子とみなした超音波センサ「圧電セル」を作製するための各種部品の設計・加工を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
令和４年度の研究実施計画では、海綿骨を覆う皮質骨が圧電特性に及ぼす影響について、実験と数値シミュレーションの両方で検討する予定であった。しかし、実験・数値シミュレーションともに、その準備（骨試料作製および骨モデル作成）までしか行うことができなかった。
研究遅れの主たる理由は、数値シミュレーションにおいて、計画外の新たなアイデアを実行したためである。具体的には、「研究業績の概要」に記したように、画像処理技術を用いて疑似的に骨梁構造を変化させるプログラムの作成を行った。
また、骨試料作製に手間取ったことも遅れの理由である。当初は、作業効率の改善のために、本研究費によって加工機（研磨機）を購入する予定であった。しかし、必要なスペックの機器の購入が困難であることが判明したため、別の研究機関において骨試料作製を行う必要性が生じた。さらに、骨構造の解析および数値シミュレーション用の骨モデル作成のためのX線μCTイメージの撮影を業者に依頼したが、スケジュール等の関係で効率的に作業を進行させることができなかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和４年度に実行する予定であった、海綿骨を覆う皮質骨が圧電特性に及ぼす影響について、実験と数値シミュレーションの両方で検討する。ただし、これまでに得られた知見を考慮して、これらの内容を一部見直す。
実験については、海綿骨と皮質骨が混在する箇所から切り出した骨試料だけを用いるのではなく、端面を平らにした皮質骨試料と海綿骨試料を別々に作製して、これらを接合した骨試料も作製する。超音波照射時に生じる圧電信号の観測は、これまでと同様に、骨試料を圧電素子とみなした超音波センサ「圧電セル」を作製・使用して行う。皮質骨の影響について容易に検討することができるように、皮質骨試料だけの場合、海綿骨試料だけの場合、皮質骨試料と海綿骨試料を接合した場合のそれぞれにおいて圧電信号の観測を行って、これらの観測結果を比較する。さらに、皮質骨試料と海綿骨試料の寸法を変化させて、皮質骨の厚さや皮質骨と海綿骨の割合による圧電信号の変化を調べる。超音波の照射は、基本的には（海綿骨が皮質骨で覆われていることを考慮して）皮質骨側の方向から行うが、進捗状況次第ではその反対方向や垂直方向からも行う。
数値シミュレーションについては、まず、実験で使用した骨試料（皮質骨試料と海綿骨試料を接合した骨試料）のX線μCTイメージから作成した骨モデルの場合のシミュレーション結果と実験結果の比較・検討を行う。その後、画像処理技術を用いて疑似的に構成や構造を変化させた骨モデルも用いて、実験では実行困難な検討も行う。具体的には、皮質骨と海綿骨の境界面の状態が明確に分かれている状態から徐々に分かれる状態に変化させる予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度末に他機関よりフラットベンチを移管することになったが、繁忙時期のためその輸送を本年度中に行うことが困難になった。
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