2019 Fiscal Year Research-status Report

マルチX線CT解析とシミュレーション技術の融合による青果物の物性値マッピング

Research Project

Project/Area Number	19K15791
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	田中良奈九州大学, 農学研究院, 助教 (80817263)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	X線CT / シミュレーション / 青果物
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、空間分解能および観察視野の異なる２つのX線CT装置で取得した画像情報から、これまで不可能であった青果物内部の諸物性値分布を直接計測可能とすることである。微細スケールで取得したCT画像情報と諸物性値を関連付け、これを個体レベル画像情報に反映、互いのスケール間で情報を生かし合うことにより、ノーマル分解能X線CT画像から空隙率や熱伝導率、水分等の果実内分布を個体レベルで、リアルタイムに同時推定できるようになる。この目的を達成するマルチスケール解析のフレームワーク作りを行っている。本研究は、（１）マルチスケールX線CT観察画像の取得、（２）マルチスライス画像からの３次元微細構造モデル再構築、（３）微細構造モデルシミュレーションによる局所物性値の推算とCT値との関連付け、（４）青果物内部の物性値分布の可視化の４つの中課題で構成される。これらの中課題のうち、（１）マルチスケールX線CT観察画像の取得および（２）マルチスライス画像からの３次元微細構造モデル再構築を行った。（１）では、分解能の異なる２種類のX線CT装置を用いて、カキおよびナシ果実の①細胞組織および②果実全体スケールで連続スライス画像を取得し、部位ごと、貯蔵期間ごとの構造特性を明らかにした。続いて（２）では、マルチスライス画像をスライス厚さ方向に積み重ねてつなぎ合わせ、３次元立体構造モデルを再構築した。スムーズな物理表面を形成するため、３D可視化解析ソフトウェアAmiraのフィルターおよびサーフェイス作成機能を用いて構造の再構築を行い、シミュレーションのための計算領域を実際の構造に基づき再現するとともに、画像解析により空隙率を抽出し、CT値との関係を明らかにした。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究は、（１）マルチスケールX線CT観察画像の取得、（２）マルチスライス画像からの３次元微細構造モデル再構築、（３）微細構造モデルシミュレーションによる局所物性値の推算とCT値との関連付け、（４）青果物内部の物性値分布の可視化の４つの中課題で構成される。これらの中課題のうち、初年度は、中課題（１）マルチスケールX線CT観察画像の取得および（２）マルチスライス画像からの３次元微細構造モデル再構築を行うことを計画しており、次の通り順調に進展している。まず、（１）マルチスケールX線CT観察画像の取得では、分解能の異なる２種類のX線CT装置（高分解能μX線CT SKYSCAN1172、ノーマル分解能X線CT Latheta LCT-100）を用いて、カキおよびナシの①細胞組織および②果実全体スケールで連続スライス画像を取得し、貯蔵期間ごとに果肉や種子および種子周辺、子房等の部位ごとの構造変化を明らかにした。次に（２）マルチスライス画像からの３次元微細構造モデル再構築では、（１）で撮影したマルチスライス画像をスライス厚さ方向に積み重ねてつなぎ合わせ、３次元立体構造モデルを再構築した。スムーズな物理表面を形成するため、構造の再構築には３D可視化解析ソフトウェアAmiraのフィルターおよびサーフェイス作成機能を使い、シミュレーションのための計算領域を実際の構造に基づき再現するとともに、画像解析により空隙率を算出し、CT値と空隙率の関係を明らかにした。さらに、Brailsfordモデルを用いて空隙率から熱伝導率を算出し、実験的に計測することが難しい微小領域での局所的な物性値を推算することを可能とした。
Strategy for Future Research Activity	まず、2020年度は中課題（１）、（２）に加え、（３）微細構造モデルシミュレーションによる局所物性値の推算とCT値との関連付けに取り組む。（２）で作成したジオメトリーに計算要素分割処理を施した後、解析条件を与え、ソルバー（ANSYS Fluent 19.1）を用いて解を得る。なお、細胞組織は不均質な構造を持つため、計算領域を均質と仮定した材料についても解析を行い、不均質材料で得た計算結果と比較し、微小領域平均の物性値として求める。空隙率などの構造的特徴量と（２）の解析で得た物性値との関係を明らかにするとともに、CT値と空隙率、空隙率と熱伝導率、熱伝導率と水分の関係など理論式や実験式を用いて両者間の関係を定量する。本関係式はCT値から直接、または間接的に諸物性値を推算するキーツールとなる。続いて2021年度は、中課題（４）青果物内部の物性値分布の可視化について研究を開始する。青果物内部の物性値分布の可視化では、異なる分解能を持つX線CT装置で撮影したCT画像が相互利用可能である必要がある。これを保障するためには、各々の装置で計測されたCT値の両者間でのキャリブレーションが不可欠である。X線源の強度特性は装置や使用時間によって異なるため、これらの影響をキャンセルできるロバスト性の高いアプリケーションの開発が重要となる。CT値間のキャリブレーションには数種の標準物質を用いて両者を比較するとともに、ターゲットから放射されるX 線スペクトルを近似的に推定する計算式（Tucker et al.、Med. Phys.、1991など）を元に特性パラメータをまとめるとともに、X線スペクトル解析によってX線源の経時劣化による強度特性変化にも耐え得る演算法を提案する。これをノーマル分解能X線CT装置の解析部に組み込むことにより、諸物性値分布の３次元リアルタイム可視化を可能とする。
Causes of Carryover	物品費として画像解析および熱移動解析に使用するための解析装置購入費を予算計上していたが、熱移動解析にはより演算能力の高い解析装置が望ましいことから、次年度の予算と合算して購入する予定とした。