【研究分野】生体医工学・生体材料学

【研究領域課題番号】15K01292 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / シミュレーション外科 / 先天変形 / 漏斗胸 / 有限要素法 / 構造解析 / 画像診断 / 生体力学 / 胸郭 / シミュレーション / コンピューター支援外科 / 手術 / 力学 / 解析

【研究成果の概要】

胸郭の陥没を主徴とする先天性疾患である漏斗胸に対しては、金属バーを装着して陥没部分を挙上する手術が行われている。胸郭の形態は個体差が存在する。ゆえに良好な形態を得るためには単純にバーを装着するのみでは不十分であり、個々の胸郭の形態を観察しながら、一部の骨を離断したり、バーを装着する位置を変化したりする工夫が必要である。このように個々の患者の胸郭の特性にかんがみ、異なった手術計画をとる必要がある。そこで本研究においては、それぞれの患者について最良の結果を得るためには、どの肋間にバーを装着し、どの部分を離断すれば良いのかについての具体的な手術計画を立てるシステムを開発することを目的として行われた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】ヒューマンインタフェース・インタラクション

【研究領域課題番号】26280072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ハプティクス / バーチャルリアリティ / 変形 / Shape Matching / 有限要素法 / 摩擦 / 固着滑り / シミュレーション / 変形シミュレーション / 力覚レンダリング / 局所剛性行列 / 力触覚 / 弾性体シミュレーション / 柔軟変形 / 力触覚インタラクション

【研究成果の概要】

対象に手を触れ動かして触知覚を得る能動触は対象についての様々な手がかりを与える。
本研究では、能動触により内部構造や材質を知覚可能なバーチャルリアリティを実現するため、変形と振動を物理シミュレーションで計算・提示することを目指し、(1)有限要素法に変わる計算時間の少ない変形のシミュレーション手法と(2)能動触により生じる振動の再現手法を研究した。
その結果、(1)について、対象を局所グループに分割し局所剛性行列を用いることで計算時間を削減する手法を提案した。また、(2)について、摩擦時の固着滑りにより正確な摩擦係数のモデルを用いることで現実に近い固着滑りが再現でき、現実感が向上することを示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)

【研究分野】医用システム

【研究領域課題番号】24500553 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / シミュレーション / 胸郭 / 呼吸 / 有限要素法 / 腫瘍

【研究成果の概要】

胸郭に生じうる欠損のパターンは多岐にわたるが、どの部位にどのような大きさの欠損が生じると、どの程度呼吸機能が低下するのかに関して解析は行われていない。
本研究においては胸郭運動を正確に模したコンピューターシミュレーションモデルを作成し機能評価を行うことで、胸壁欠損の大きさと部位が呼吸機能に与える影響を解明した。
欠損が側方下部に存在する場合、患側胸郭の換気量は、正常の片側胸郭の換気量の約40パーセントとなり、他の欠損タイプにおける換気量（62－88パーセント）に比して小さくなる。すなわち側方下部に欠損を有する胸郭においては、他の部位に比して低い換気機能を呈する。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)

【研究分野】電力工学・電気機器工学

【研究領域課題番号】19360126 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超電導 / 電力工学 / 電磁現象 / シミュレーション / 限流器 / 有限要素法 / シミュレーション工学 / イットリウム系 / SN転移 / 電力システム / 抵抗型限流素子 / 超電導薄膜 / 数値解析

【研究成果の概要】

電力系統に短絡事故等が発生したときに流れる過大な電流を瞬時に抑制する装置である限流器として,高温超電導薄膜を用いて,超電導から常電導への転移にともなう電気抵抗発生を利用した抵抗型の限流器の研究を行った。電磁界・熱伝導場・電気回路の連成現象解析用数値解析ツールを開発し,超電導薄膜と金属保護膜のパターニングや厚さ等,および超電導特性の不均一性が限流特性に与える影響について明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)

【研究分野】工学基礎

【研究領域課題番号】17360043 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メッシュフリー法 / 粒子法 / MPS法 / SPH法 / 流体 / 構造連成解析 / バイオメカニクス / 構造物の爆破解析 / 有限要素法 / 計算力学 / シミュレーション / 構造・流体連成

【研究成果の概要】

今日のソフト,ハードの両面から発展した計算科学技術をもってしても,構造/流体双方のトポロジーが変化するまでの大変形が生じる連成問題は従来のメッシュや格子を要する有限要素法や差分法では解析が不可能であることは広く知られている,一方でこれらの欠点を補うために,構造,流体それぞれの分野でメッシュフリー法や粒子法と呼ばれる手法が開発され精度の向上がはかられているが,両者にまたがる境界領域では,流体用に開発された粒子法を構造材料の部分にも簡易的に応用しているのみであり,十分な安定性と精度をもって連成解析が桁われているとは言いがたい,そこで本研究ではトポロジーが変化するまでの大変形が生じる構造/流体連成問題のためのメッシュフリー粒子法の高精度解析手法を開発した.平成18年度は平成17年度に各担当者で開発した,固体/構造解析用メッシュフリー粒子法改良型MPS法改良型SPH法を用いて各種解析を行った,野口は2重スケール・オーバレイアプローチを用い,固体/構造解析用有限要素法メッシュフリー法と改良型MPS法ならびにSPH法との統合を行った,越塚は拡張したMPS手法をハイオメカニクスに応用した.松尾はSPHを拡張し,爆破による構造物の破壊に応用した.平成18年度に実施した解析を示す.(権造非圧縮流体連成解析)3次元薄肉容器内の極限スロッシング解析,非圧縮満体と複数の剛本クラスターの流体構造連成解析,血管血流の連成解析(構造/圧縮性流体連成解析)拡張SPHによる液体/気体連成解析,爆破シミュレーションによるコンクリート構造の損傷破壊解析

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】14,000千円 (直接経費: 14,000千円)

【研究分野】社会システム工学・安全システム

【研究領域課題番号】16310113 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

大都市 / 震災シミュレーション / 地震リスク / 有限要素法 / 個別要素法 / 避難行動 / 住宅性能 / 震災情報 / 低減戦略 / 耐震補強 / シミュレーション / 可視化技術 / 安心安全 / 地震災害 / 防災教育 / 人的被害

【研究成果の概要】

本研究では,「大都市域の震災シミュレーションに基づく地震リスク低減戦略の策定に関する研究」という課題の下に,「大地震が起きたときに何が起きうるのか」について信頼できる情報を提供しうるシステムを構築し,これを基に地震リスクの低減戦略を策定することを目的とした.以下に本研究で行ったこと及び得られた成果を列挙する。
(1)マルチエージェントを使った避難行動推定シミュレーションの高度化を第一の目標とし,複雑な大型地下駅にも適用できるよう避難経路モデル自動構築モデュールの改良を行った.
(2)CAEの考え方に倣って,地震時の建物挙動に関する高精度な地震の数値シミュレーションを実施して,家屋の耐震補強の意志決定や防災意識向上を意図した可視化の効果を提示した.
(3)都市インフラの震動シミュレーション例として,SPH法を用いた土構造物の崩壊解析を行い,様々なインフラ構造物への応用が可能であることを示した.
(4)木造軸組建物の地震による倒壊と,それに伴う人的被害発生のメカニズムを解明するための一連の手法を開発した.
(5)住宅性能に関する情報の非対称性が及ぼす影響について分析し,この問題を解決しうる性能照査型契約の役割に関して理論的検討を行った.
(6)被災地の復興状況を統計データから把握するために整備すべき復興指標の概念と,その算定に必要な統計データベース構築の必要性について整理するとともに,従来提案されてきたRIが有する問題点を指摘した上で復興チャートを提案した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】11,000千円 (直接経費: 11,000千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】13780695 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

人工肺 / シミュレーション / 圧力損失 / 酸素移動速度 / 有限要素法

【研究成果の概要】

1.緒言
これまでの外部灌流膜型人工肺のシミュレーションでは、解析に必要な透過率比を人工肺ごとに実験して得なければならず、実験を必要としない完全なシミュレーション解析ではなかった。そこで今回は、透過率比を理論的に求め、その数値解を用いて人工肺のモジュール形状や膜充填を検討し、人工肺の至適設計を行える完全なものを確立することを目的とした。
2.方法
透過率比は、膜充填部の微小部分をモデル化して、汎用の流体解析ソフト(ANSYS, CYBERNET)を用いて算出した。二次元円筒座標上で、解析領域を三角形二次要素に有限要素法で要素分割し、圧力の数値解を得た。血液への酸素移動は、反応係数および移動単位数による式を用いた。さらに、これらのシミュレーション解析をウシ血液によるin vitro実験と比較して、本法の妥当性を検討した。
3.結果および考察
微小領域での血液流速分布の結果より、透過率比は0.680となった。この透過率比を用いて、圧力損失および酸素移動速度の解析を行ったところ、ともに解析結果と実験値はほぼ一致した。次に、人工肺モジュール長さLと内径Dの比L/Dを変化させたときの解析を行ったところ、血液の偏流を防ぎ、圧力損失と酸素移動速度の実用上の条件から、モジュール形状比L/Dを1.7〜2.8にすることが適切であることがわかった。さらに、膜の充填率を変化させたときのシミュレーション解析を行うと、芯側の空間率を既存のものより大きくすることで圧力損失を減少させ、酸素移動速度を増加させることができることが分かった。
4.結言
透過率比の理論的算出により、実験を必要としないシミュレーションが完成した。人工肺モジュールの形状比L/Dを1.7〜2.8、芯側の膜充填を疎、外壁側の膜充填を密にすることにより、さらに性能の良い人工肺ができることが示唆された。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】1,800千円 (直接経費: 1,800千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】13450091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

構造最適設計 / 構造動力学 / トンボの羽構造 / 計量高剛性設計 / 精密有限要素モデル / 非線形最適化 / 制振制御 / コンロッド / 軽量高剛性設計 / 機械力学 / 最適設計法 / 振動制御 / 騒音制御 / 自動有限要素モデル作成法 / 進化型自動構造最適化 / 構造動特性 / 有限要素法 / シミュレーション / 運動制御 / トンボの羽 / ロボット

【研究成果の概要】

まず,進化型構造最適化アルゴリズムの構造動力学的最適化への理論拡張を行った.その妥当性を検証するために,プログラムシステムを構築して,いくつかの基礎的適用対象物に加えて,あるエンジンのクランクシャフト・コンロッド・ピストン機構の中のコンロッドについて最適設計を行った.強度,剛性および共振回避のための高固有振動数をすべて適切に確保しながら軽量化設計を行う最適化解を得た.研究上作成したプログラムの発展を図ることで第三者使用に耐え得る汎用プログラム開発の見通しもつけられた.
宇宙空間構造物設計への示唆などを与えられることなどを工学的動機としてのトンボの羽の構造動力学的研究については,実際の羽(アキアカネ)の精密観察を行い,その観察と計測と昨年度のモデル化研究で得られた知見とを利用して,さらに精密なモデル作成を行った.具体的には網脈座標と寸法の精密化および羽のそりもモデル化に組み込むことで,実験によって得られる実際の羽の動特性と良く一致する特性を有するモデルが構築できた.網脈の模様についての最適化視点からの考察も行ったが,この点については明確な解釈を得る結果は得られなかった.
制御に関する研究としては,制御理論の整理は騒音制御理論も含めて行い,騒音低減化のための構造最適化としての薄板構造の折り曲げや押し出し変形による構造最適化と制振静粛制御法の研究を行った.
最新の成果についての公表は平成16年度に開催の国際会議での発表も含めて計画立てている.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】15,200千円 (直接経費: 15,200千円)